Температура адиабатического пламени

При изучении горения существует два типа адиабатической температуры пламени в зависимости от того, как завершается процесс: постоянный объем и постоянное давление; оба описывают температуру, которой теоретически могут достичь продукты сгорания, если энергия не будет потеряна во внешнюю среду. ^{[ требуется разъяснение ]}

Объем постоянной температуры адиабатического пламени температура , которая является результатом полного процесса сгорания , который происходит без какой - либо работы , передачи тепла или изменения в кинетической или потенциальной энергии . Его температура выше, чем при постоянном давлении, потому что энергия не используется для изменения объема системы (т. Е. Для создания работы).

Обычное пламя [ править ]

Пропан

Октан

В повседневной жизни, подавляющее большинство пламени встречается те вызвано быстрым окислением из углеводородов в таких материалах, как древесина , воск , жир , пластмассы , пропан и бензин . Температура адиабатического пламени при постоянном давлении таких веществ в воздухе находится в относительно узком диапазоне около 1950 ° C. Это связано с тем, что, с точки зрения стехиометрии , горение органического соединения с n  атомами углерода включает разрыв примерно 2 n  связей C – H, n связей  C – C и 1,5 n  O _2.связей с образованием примерно n молекул  CO ₂ и n молекул  H ₂ O.

Поскольку большинство процессов сгорания, которые происходят естественным образом, происходят на открытом воздухе, нет ничего, что ограничивало бы газ определенным объемом, как цилиндр в двигателе. В результате эти вещества будут гореть при постоянном давлении, позволяя газу расширяться во время процесса.

Обычные температуры пламени [ править ]

При исходных атмосферных условиях (1 бар и 20 ° C) в следующей таблице ^[1] указаны температуры пламени для различных видов топлива при постоянном давлении. Указанные здесь температуры относятся к стехиометрической смеси топливо-окислитель (т.е. коэффициент эквивалентности φ = 1).

Обратите внимание, что это теоретические, а не фактические значения температуры пламени, создаваемые пламенем, которое не теряет тепла. Ближайшей к нему будет самая горячая часть пламени, где реакция горения наиболее эффективна. Это также предполагает полное сгорание (например, идеально сбалансированное, недымное, обычно голубоватое пламя).

Температура адиабатического пламени (постоянное давление) обычных видов топлива
Топливо	Окислитель	${\ displaystyle T _ {\ text {ad}}}$
Топливо	Окислитель	(° C)	(° F)
Ацетилен ( C ₂H ₂ )	Воздуха	2500	4532
Ацетилен ( C ₂H ₂ )	Кислород	3480	6296
Бутан ( C ₄H ₁₀ )	Воздуха	1970 г.	3578
Цианоген ( C ₂N ₂ )	Кислород	4525	8177
Дицианоацетилен ( C ₄N ₂ )	Кислород	4990	9010
Этан ( C ₂H ₆ )	Воздуха	1955 г.	3551
Этанол ( C ₂ЧАС ₅ОН )	Воздуха	2082	3779 ^[2]
Бензин	Воздуха	2138	3880 ^[2]
Водород ( H ₂ )	Воздуха	2254	4089 ^[2]
Магний ( Mg )	Воздуха	1982 г.	3600 ^[3]
Метан ( C H ₄ )	Воздуха	1963 г.	3565 ^[4]
Метанол ( С Н ₄O )	Воздуха	1949 г.	3540 ^[4]
Натуральный газ	Воздуха	1960 г.	3562 ^[5]
Пентан ( C ₅H ₁₂ )	Воздуха	1977 г.	3591 ^[4]
Пропан ( C ₃H ₈ )	Воздуха	1980 г.	3596 ^[6]
Метилацетилен ( C ₃H ₄ )	Воздуха	2010 г.	3650
Метилацетилен ( C ₃H ₄ )	Кислород	2927	5301
Толуол ( C ₇H ₈ )	Воздуха	2071	3760 ^[4]
Дерево	Воздуха	1980 г.	3596
Керосин	Воздуха	2093 ^[7]	3801
Легкое жидкое топливо	Воздуха	2104 ^[7]	3820
Среднее жидкое топливо	Воздуха	2101 ^[7]	3815
Мазут	Воздуха	2102 ^[7]	3817
Битумный уголь	Воздуха	2172 ^[7]	3943
Антрацит	Воздуха	2180 ^[7]	3957
Антрацит	Кислород	≈3500 ^[8]	≈6332
Алюминий	Кислород	3732	6750 ^[4]
Литий	Кислород	2438	4420 ^[4]
Фосфор (белый)	Кислород	2969	5376 ^[4]
Цирконий	Кислород	4005	7241 ^[4]

Термодинамика [ править ]

Первый закон термодинамики для замкнутой реагирующей системы

Из первого закона термодинамики для замкнутой реагирующей системы имеем

{\ displaystyle {} _ {R} Q_ {P} - {} _ {R} W_ {P} = U_ {P} -U_ {R}}

где, и - тепло и работа, передаваемые из системы в окружающую среду во время процесса, соответственно, и - внутренняя энергия реагентов и продуктов соответственно. В случае постоянного объема адиабатической температуры пламени объем системы поддерживается постоянным, следовательно, работы не происходит, ${\ displaystyle {} _ {R} Q_ {P}}$ ${\ displaystyle {} _ {R} W_ {P}}$ ${\ displaystyle U_ {R}}$ ${\ displaystyle U_ {P}}$

{}_{R}W_{P}=\int \limits _{R}^{P}{pdV}=0

и нет передачи тепла , так как процесс определяется как адиабатическое: . В результате внутренняя энергия продуктов равна внутренней энергии реагентов: . Поскольку это замкнутая система, масса продуктов и реагентов постоянна, и первый закон может быть записан на основе массы: ${}_{R}Q_{P}=0$ $U_{P}=U_{R}$

U_{P}=U_{R}\Rightarrow m_{P}u_{P}=m_{R}u_{R}\Rightarrow u_{P}=u_{R}

.

График зависимости энтальпии от температуры, иллюстрирующий расчет замкнутой системы

В случае адиабатической температуры пламени при постоянном давлении давление в системе поддерживается постоянным, что приводит к следующему уравнению для работы:

{}_{R}W_{P}=\int \limits _{R}^{P}{pdV}=p\left({V_{P}-V_{R}}\right)

Опять же нет передачи тепла происходит потому , что процесс определяются как адиабатическое: . Из первого закона мы находим, что ${}_{R}Q_{P}=0$

-p\left({V_{P}-V_{R}}\right)=U_{P}-U_{R}\Rightarrow U_{P}+pV_{P}=U_{R}+pV_{R}

Вспоминая определение энтальпии восстанавливает: . Поскольку это замкнутая система, масса продуктов и реагентов постоянна, и первый закон может быть записан на основе массы: $H_{P}=H_{R}$

H_{P}=H_{R}\Rightarrow m_{P}h_{P}=m_{R}h_{R}\Rightarrow h_{P}=h_{R}

.

Мы видим, что адиабатическая температура пламени процесса с постоянным давлением ниже, чем у процесса с постоянным объемом. Это связано с тем, что часть энергии, выделяемой при сгорании, идет на изменение объема системы управления.

Адиабатические температуры и давления пламени в зависимости от отношения воздуха к изооктану . Отношение 1 соответствует стехиометрическому соотношению

Постоянная объемная температура пламени ряда видов топлива с воздухом

Если мы сделаем предположение, что сгорание идет полностью (т. Е. CO
₂и H
₂O ), мы можем рассчитать температуру адиабатического пламени вручную либо в стехиометрических условиях, либо на основе стехиометрии (избыток воздуха). Это потому, что есть достаточно переменных и молярных уравнений, чтобы уравновесить левую и правую части,

{\rm {C}}_{\alpha }{\rm {H}}_{\beta }{\rm {O}}_{\gamma }{\rm {N}}_{\delta }+\left({a{\rm {O}}_{\rm {2}}+b{\rm {N}}_{\rm {2}}}\right)\to \nu _{1}{\rm {CO}}_{\rm {2}}+\nu _{2}{\rm {H}}_{\rm {2}}{\rm {O}}+\nu _{3}{\rm {N}}_{\rm {2}}+\nu _{4}{\rm {O}}_{\rm {2}}

Богат стехиометрией, здесь недостаточно переменных, потому что сгорание не может быть завершено, по крайней мере, с CO и H
₂ необходим для молярного баланса (это наиболее часто встречающиеся неполные продукты сгорания),

{\rm {C}}_{\alpha }{\rm {H}}_{\beta }{\rm {O}}_{\gamma }{\rm {N}}_{\delta }+\left({a{\rm {O}}_{\rm {2}}+b{\rm {N}}_{\rm {2}}}\right)\to \nu _{1}{\rm {CO}}_{\rm {2}}+\nu _{2}{\rm {H}}_{\rm {2}}{\rm {O}}+\nu _{3}{\rm {N}}_{\rm {2}}+\nu _{5}{\rm {CO}}+\nu _{6}{\rm {H}}_{\rm {2}}

Однако, если мы включим реакцию сдвига водяного газа ,

{\rm {CO}}_{\rm {2}}+H_{2}\Leftrightarrow {\rm {CO}}+{\rm {H}}_{\rm {2}}{\rm {O}}

и используем константу равновесия для этой реакции, у нас будет достаточно переменных, чтобы завершить расчет.

Различные виды топлива с разными уровнями энергии и молярными составляющими будут иметь разные адиабатические температуры пламени.

Постоянное давление температуры пламени ряда видов топлива с воздухом

Нитрометан в зависимости от температуры и давления пламени изооктана

Из следующего рисунка видно, почему нитрометан (CH ₃ NO ₂ ) часто используется для повышения мощности автомобилей. Поскольку каждая молекула нитрометана содержит два атома кислорода, он может гореть намного горячее, потому что вместе с топливом обеспечивает свой окислитель. Это, в свою очередь, позволяет ему создавать большее давление во время процесса постоянного объема. Чем выше давление, тем больше сила, действующая на поршень, создает больше работы и больше мощности в двигателе. Он остается относительно горячим и богатым по стехиометрии, потому что содержит собственный окислитель. Однако непрерывная работа двигателя на нитрометане в конечном итоге приведет к расплавлению поршня и / или цилиндра из-за более высокой температуры.

Влияние диссоциации на температуру адиабатического пламени

В реальных приложениях полное сгорание обычно не происходит. Химия диктует, что диссоциация и кинетика изменяют относительные составляющие продуктов. Существует ряд доступных программ, которые могут рассчитывать адиабатическую температуру пламени с учетом диссоциации через константы равновесия (Stanjan, NASA CEA, AFTP). На следующем рисунке показано, что эффекты диссоциации приводят к снижению температуры адиабатического пламени. Этот результат можно объяснить с помощью принципа Ле Шателье .

См. Также [ править ]

Скорость пламени

Ссылки [ править ]

^ См. В разделе «Таблицы» приведенные ниже внешние ссылки.
^ a b c Анализ температуры пламени и выбросы NOx для различных видов топлива
^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2017-09-17 . Проверено 17 сентября 2017 .CS1 maint: archived copy as title (link)
^ a b c d e f g h Справочник CRC по химии и физике, 96-е издание, с. 15-51
Перейти ↑ North American Combustion Handbook, Volume 1, 3rd edition, North American Mfg Co., 1986.
^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 24 сентября 2015 года . Проверено 19 мая 2013 . CS1 maint: archived copy as title (link)
^ a b c d e f Презентация Power Point: Температура пламени , Синь Чу, Департамент экологической инженерии, Национальный университет Ченг Кунг , Тайвань
^ Анализ энергетического цикла кислородно-топливного сжигания с использованием камеры сгорания угля под давлением, проведенный Jongsup Hong et al. , Массачусетский технологический институт, в котором цитируется специальный отчет МГЭИК об улавливании и хранении диоксида углерода (PDF) . Межправительственная группа экспертов по изменению климата . 2005. с. 122. . Но отчет IPCC на самом деле дает гораздо менее точное заявление: «Прямое сжигание топлива и кислорода практиковалось в течение многих лет в металлургической и стекольной промышленности, где горелки работают в условиях, близких к стехиометрическим, с температурами пламени до 3500 ° C». Температура может зависеть от давления, потому что при более низком давлении будет больше диссоциация продуктов сгорания, что означает более низкую адиабатическую температуру.

Внешние ссылки [ править ]

Общая информация [ править ]

Бабраускас, Витенис (25 февраля 2006 г.). «Температура в огне и пожарах» . Огонь Наука и технологии Inc . Архивировано из оригинала 12 января 2008 года . Проверено 27 января 2008 .
Расчет адиабатической температуры пламени
Температура адиабатического пламени

Таблицы [ править ]

«Адиабатическая температура пламени» . Инженерный инструментарий . Архивировано 28 января 2008 года . Проверено 27 января 2008 . температура адиабатического пламени водорода, метана, пропана и октана с кислородом или воздухом в качестве окислителей
«Температуры пламени для некоторых обычных газов» . Инженерный инструментарий . Архивировано 7 января 2008 года . Проверено 27 января 2008 .
Температура голубого пламени и обычные материалы

Калькуляторы [ править ]

Онлайн-калькулятор температуры адиабатического пламени на Cantera
Программа температуры адиабатического пламени
Gaseq , программа для расчета химического равновесия.
Калькулятор температуры пламени - адиабатическое горение двухкомпонентного топлива при постоянном давлении
Калькулятор температуры адиабатического пламени

[1] См. В разделе «Таблицы» приведенные ниже внешние ссылки.

[che.msstate.edu-2] Анализ температуры пламени и выбросы NOx для различных видов топлива

[3] "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2017-09-17 . Проверено 17 сентября 2017 .CS1 maint: archived copy as title (link)

[Physics_p._15-51-4] Справочник CRC по химии и физике, 96-е издание, с. 15-51

[5] Перейти ↑ North American Combustion Handbook, Volume 1, 3rd edition, North American Mfg Co., 1986.

[6] «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 24 сентября 2015 года . Проверено 19 мая 2013 . CS1 maint: archived copy as title (link)

[Chu-7] Презентация Power Point: Температура пламени , Синь Чу, Департамент экологической инженерии, Национальный университет Ченг Кунг , Тайвань

[8] Анализ энергетического цикла кислородно-топливного сжигания с использованием камеры сгорания угля под давлением, проведенный Jongsup Hong et al. , Массачусетский технологический институт, в котором цитируется специальный отчет МГЭИК об улавливании и хранении диоксида углерода (PDF) . Межправительственная группа экспертов по изменению климата . 2005. с. 122. . Но отчет IPCC на самом деле дает гораздо менее точное заявление: «Прямое сжигание топлива и кислорода практиковалось в течение многих лет в металлургической и стекольной промышленности, где горелки работают в условиях, близких к стехиометрическим, с температурами пламени до 3500 ° C». Температура может зависеть от давления, потому что при более низком давлении будет больше диссоциация продуктов сгорания, что означает более низкую адиабатическую температуру.

[1]