Температура адиабатического пламени

При исследовании горения существует два типа температуры адиабатического пламени в зависимости от того, как завершается процесс: постоянный объем и постоянное давление; оба описывают температуру, которую продукты сгорания теоретически могут достичь, если энергия не будет потеряна во внешнюю среду.

постоянный объем адиабатическая температура пламени - это температура, которая возникает в результате полного процесса сгорания, который происходит без какой-либо работы, теплопередачи или изменений кинетической или потенциальной энергии. Его температура выше, чем при постоянном давлении, поскольку энергия не используется для изменения объема системы (т. Е. Для создания работы).

Содержание

• 1 Обычное пламя
• 2 Обычные температуры пламени
• 3 Термодинамика
• 4 См. Также
• 5 Ссылки
• 6 Внешние ссылки
  • 6.1 Общая информация
  • 6.2 Таблицы
  • 6.3 Калькуляторы

Обычное пламя

Пропан Октан

В повседневной жизни подавляющее большинство пламен, с которыми можно столкнуться, вызвано быстрым окислением углеводородов в таких материалах, как дерево, 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 2n связей C – H, n связей C – C и 1,5n 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

При начальных атмосферных условиях (1 бар и 20 ° C) в следующей таблице перечислены температуры пламени для различных видов топлива при постоянном давлении. Указанные здесь температуры относятся к стехиометрической смеси (т.е. коэффициент эквивалентности φ = 1).

Обратите внимание, что это теоретические, а не фактические значения температуры пламени, создаваемые пламенем, которое не теряет тепла. Ближайшей 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	$T\; ad\; \{\backslash \; displaystyle\; T\; \_\; \{\backslash \; text\; \{ad\}\}\}$
		(° C)	(° F)
Ацетилен (C 2H 2)	Воздух	2500	4532
	Кислород	3480	6296
Бутан (C 4H 10)	Воздух	1970	3578
Цианоген (C 2N 2)	Кислород	4525	8177
Дицианоацетилен (C 4N 2)	Кислород	4990	9010
Этан (C 2H 6)	Воздух	1955	3551
Этанол (C. 2H. 5OH)	Воздух	2082	3779
Бензин	Воздух	2138	3880
Водород (H 2)	Воздух	2254	4089
Магний (Mg )	Воздух	1982	3600
Метан (C H 4)	Воздух	1963	3565
Метанол (C H 4O )	Воздух	1949	3540
Природный газ	Воздух	1960	3562
Пентан (C 5H 12)	Воздух	1977	3591
Пропан (C 3H 8)	Воздух	1980	3596
Метилацетилен. (C 3H 4; Газ MAPP )	Воздух	2010	3650
	Кислород	29 27	5301
Толуол (C 7H 8)	Воздух	2071	3760
Дерево	Воздух	1980	3596
Керосин	Воздух	2093	3801
Дизельное топливо	Воздух	2104	3820
Среднее жидкое топливо	Воздух	2101	3815
Мазут тяжелое	Воздух	2102	3817
Битумное Уголь	Воздух	2172	3943
Антрацит	Воздух	2180	3957
	Кислород	≈3500	≈6332
Алюминий	Кислород	3732	6750
Литий	Кислород	2438	4420
Фосфор (белый)	Кислород	2969	5376
Цирконий	Кислород	4005	7241

Термодинамика

Первый закон термодинамики для замкнутой реакционной системы

Из первого закона термодинамики для замкнутой реакционной системы мы имеем,

$RQP\; -\; RWP\; =\; UP\; -\; UR\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\}\; \_\; \{R\}\; Q\_\; \{P\}\; -\; \{\}\; \_\; \{R\}\; W\_\; \{P\}\; =\; U\_\; \{P\}\; -U\_\; \{R\}\}$

где, $RQP\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\; \}\; \_\; \{R\}\; Q\_\; \{P\}\}$и $RWP\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\}\; \_\; \{R\}\; W\_\; \{P\}\}$- тепло и работа, передаваемая из системы к окружающей среде во время процесса соответственно, а $UR\; \{\backslash \; displaystyle\; U\_\; \{R\}\}$и $UP\; \{\backslash \; displaystyle\; U\_\; \{P\}\}$- внутренняя энергия реагентов и продуктов соответственно. В случае адиабатической температуры пламени постоянного объема объем системы поддерживается постоянным, следовательно, работа не выполняется,

$RWP\; =\; \int \; RP\; pd\; V\; =\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\}\; \_\; \{R\}\; W\_\; \{P\}\; =\; \backslash \; int\; \backslash \; limits\; \_\; \{R\}\; ^\; \{P\}\; \{pdV\}\; =\; 0\}$

и теплопередача отсутствует, поскольку процесс определен как адиабатический: $RQP\; =\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\}\; \_\; \{R\}\; Q\_\; \{P\}\; =\; 0\}$. В результате внутренняя энергия продуктов равна внутренней энергии реагентов: $U\; P\; =\; U\; R\; \{\backslash \; displaystyle\; U\_\; \{P\}\; =\; U\_\; \{R\}\}$. Поскольку это замкнутая система, масса продуктов и реагентов постоянна, и первый закон может быть записан на основе массы,

$UP\; =\; UR\; \Rightarrow \; m\; P\; u\; P\; =\; m\; R\; u\; R\; \Rightarrow \; u\; P\; =\; u\; R\; \{\backslash \; displaystyle\; U\_\; \{P\}\; =\; U\_\; \{R\}\; \backslash \; Rightarrow\; m\_\; \{P\}\; u\_\; \{P\}\; =\; m\_\; \{R\}\; u\_\; \{R\}\; \backslash \; Rightarrow\; u\_\; \{P\}\; =\; u\_\; \{R\}\}$.

Энтальпия График зависимости от температуры, иллюстрирующий расчет замкнутой системы

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

$RWP\; =\; \int \; RP\; pd\; V\; =\; p\; (VP\; -\; VR)\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\}\; \_\; \{R\}\; W\_\; \{P\}\; =\; \backslash \; int\; \backslash \; limits\; \_\; \{R\}\; ^\; \{P\}\; \{pdV\}\; =\; p\; \backslash \; left\; (\{V\_\; \{P\}\; -V\_\; \{R\}\}\; \backslash \; right)\}$

Снова нет теплопередачи, потому что процесс определен как адиабатический: $RQP\; =\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\}\; \_\; \{R\}\; Q\_\; \{P\}\; =\; 0\}$. Из первого закона мы находим, что

$-\; p\; (VP\; -\; VR)\; =\; UP\; -\; UR\; \Rightarrow \; UP\; +\; p\; VP\; =\; UR\; +\; p\; VR\; \{\backslash \; displaystyle\; -p\; \backslash \; left\; (\{V\_\; \{P\}\; -V\_\; \{R\; \}\}\; \backslash \; right)\; =\; U\_\; \{P\}\; -U\_\; \{R\}\; \backslash \; Rightarrow\; U\_\; \{P\}\; +\; pV\_\; \{P\}\; =\; U\_\; \{R\}\; +\; pV\_\; \{R\}\}$

Вспоминая определение энтальпии, получаем: $HP\; =\; HR\; \{\backslash \; displaystyle\; H\_\; \{P\}\; =\; H\_\; \{R\}\}$. Поскольку это замкнутая система, масса продуктов и реагентов постоянна, и первый закон может быть записан на основе массы,

$HP\; =\; HR\; \Rightarrow \; m\; P\; h\; P\; =\; m\; R\; h\; R\; \Rightarrow \; h\; P\; =\; h\; R\; \{\backslash \; displaystyle\; H\_\; \{P\}\; =\; H\_\; \{R\}\; \backslash \; Rightarrow\; m\_\; \{P\}\; h\_\; \{P\}\; =\; m\_\; \{R\}\; h\_\; \{R\}\; \backslash \; Rightarrow\; h\_\; \{P\}\; =\; h\_\; \{R\}\}$.

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

Адиабатические температуры и давления пламени как функция 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 вычислить адиабатическую температуру пламени вручную либо в стехиометрических условиях, либо в обедненной стехиометрии (избыток воздуха). Это связано с тем, что имеется достаточно переменных и молярных уравнений, чтобы сбалансировать левую и правую части,

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

Богат стехиометрией, не хватает переменных, потому что сгорание не может быть завершено с как минимум CO и H. 2, необходимыми для молярного баланса (это наиболее распространенные неполные продукты сгорания),

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

Однако, если мы включим реакцию сдвига водяного газа,

$CO\; 2\; +\; H\; 2\; \iff \; CO\; +\; H\; 2\; O\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; rm\; \{CO\}\}\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{2\}\}\; +\; H\_\; \{2\}\; \backslash \; Leftrightarrow\; \{\backslash \; rm\; \{CO\}\}\; +\; \{\backslash \; rm\; \{H\}\}\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{2\}\}\; \{\backslash \; rm\; \{O\}\}\}$

и используйте 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.

Температура пламени при постоянном давлении для ряда видов топлива, с воздухом Нитрометан в зависимости от температуры и давления изооктана

Из следующего рисунка видно, почему нитрометан (CH 3NO2) является часто используется для увеличения 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 усилие на поршень создает больше работы и больше мощности в двигателе. Он остается относительно горячим и богатым по стехиометрии, потому что содержит собственный окислитель. Однако постоянная 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 изменят 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

• Скорость пламени

Ссылки

1. ^См. Раздел «Таблицы» во внешних ссылках ниже.
2. ^ Анализ температуры пламени и выбросы NOx для различных видов топлива
3. ^«Архивная копия». Архивировано 17 сентября 2017 года из оригинала. Проверено 17 сентября 2017 г. CS1 maint: заархивированная копия в качестве заголовка (ссылка )
4. ^ CRC Handbook of Chemistry and Physics, 96th Edition, p. 15-51
5. ^North American Combustion Handbook, Volume 1, 3-е издание, North American Mfg Co., 1986.
6. ^«Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинала (PDF) 24 сентября 2015 г. Дата обращения 5 мая 2013 г. -19. CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка )
7. ^ Презентация Power Point: Температура пламени, Синь Чу, Департамент экологической инженерии, Национальный университет Ченг Кунг, Тайвань
8. ^Анализ энергетического цикла кислородного сжигания с использованием камеры сгорания угля под давлением, проведенный Jongsup Hong et al., Массачусетский технологический институт, в котором цитируется Специальный отчет МГЭИК по улавливанию и хранению диоксида углерода (PDF). Межправительственная группа экспертов по изменению климата. 2005. стр. 122.. Но на самом деле в отчете МГЭИК содержится гораздо менее точное утверждение: «Прямое сжигание топлива и кислород уже много лет применяется в металлургии и стекольной промышленности. в отраслях, 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

Общая информация

• Бабраускас, Витенис (25.02.2006). «Температуры в пламени и пожарах». Fire Science and Technology Inc. Архивировано из оригинала от 12 января 2008 г. Получено 27 января 2008 г.
• Расчет адиабатической температуры пламени
• Адиабатическая температура пламени

Таблицы

• " Температура адиабатического пламени ". Инженерный инструментарий. Заархивировано из оригинала 28 января 2008 г. Получено 27 января 2008 г. температура адиабатического пламени водорода, метана, пропана и октана с кислородом или воздухом в качестве окислителей
• "Пламя Температуры некоторых обычных газов ». Инженерный инструментарий. Заархивировано из оригинала 7 января 2008 г. Проверено 27 января 2008 г.
• Температура синего пламени и обычные материалы

Калькуляторы

• Онлайн-калькулятор температуры адиабатического пламени с использованием Cantera
• Программа температуры адиабатического пламени
• Gaseq, программа для выполнения расчетов химического равновесия.
• Калькулятор температуры пламени - адиабатическое горение двухкомпонентного топлива при постоянном давлении
• Калькулятор температуры адиабатического пламени