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絕熱火焰温度
鎖定
絕熱火焰温度,由於火焰温度對化學反應速率所起到的作用,火焰温度可能是燃燒最重要的一個性質。
- 中文名
- 絕熱火焰温度
- 外文名
- Adiabatic flame temperature
- 產生原因
- 為了方便起見,引入了絕熱火焰
- 燃燒產物
- CO2和H2O
- 實 質
- 燃燒系統所達到的終態温度
- 影響因素
- 空氣/燃料比
絕熱火焰温度簡介
絕熱火焰温度共同的火焰
在日常生活中,遇到的絕大多數火焰是有機化合物,包括木材,蠟,脂肪,普通塑料,丙烷和汽油。這些物質在空氣中的恆壓絕熱火焰温度在1950℃附近處於相對較窄的範圍內。這是因為,在以下方面的化學計量,有機化合物的與燃燒n碳涉及斷裂大致2nC–H鍵,nC–C鍵和1.5nO2鍵以形成大致nCO2分子和nH2O分子。
絕熱火焰温度常見的火焰温度
假定初始大氣條件(1巴和20℃),下表列出了恆壓條件下各種氣體的絕熱火焰温度。這裏所説的温度是用於化學計量的燃料-氧化劑混合物(即當量比φ= 1)。如圖2所示。
請注意,這些是火焰產生的理論而非實際的火焰温度,不會產生熱量。最接近的將是火焰中最熱的部分,其中燃燒反應是最有效的。這也假定完全燃燒(例如完全平衡的,無煙的,通常是藍色的火焰)
汽油 | 氧化劑 | {\ displaystyle T_ {ad}}(C) | {\ displaystyle T_ {ad}}(F) |
---|---|---|---|
2500 | 4532 | ||
3480 | 6296 | ||
空氣 | 1970年 | 3578 | |
氧 | 4525 | 8177 | |
氧 | 4990 | 9010 | |
空氣 | 1955年 | 3551 | |
乙醇(C 2H 5OH) | 空氣 | 2082 | 3779 |
空氣 | 2138 | 3880 | |
空氣 | 2254 | 4089 | |
氧 | 3200 | 5792 | |
空氣 | 1982年 | 3600 | |
空氣 | 1963年 | 3565 | |
空氣 | 1949年 | 3540 | |
空氣 | 1960年 | 3562 | |
空氣 | 1977年 | 3591 | |
空氣 | 1980年 | 3596 | |
氧 | 2526 | 4579 | |
空氣 | 2010 | 3650 | |
氧 | 2927 | 5301 | |
空氣 | 2071 | 3760 | |
空氣 | 1980年 | 3596 | |
空氣 | 2093 | 3801 | |
輕油燃料 | 空氣 | 2104 | 3820 |
中等燃料油 | 空氣 | 2101 | 3815 |
重燃料油 | 空氣 | 2102 | 3817 |
空氣 | 2172 | 3943 | |
空氣 | 2180 | 3957 | |
氧 | ≈2900 | ≈5255 | |
氧 | 3732 | 6750 | |
氧 | 2438 | 4420 | |
磷(白) | 氧 | 2969 | 5376 |
氧 | 4005 | 7241 |
絕熱火焰温度熱力學
從熱力學的第一定律來看,我們有一個封閉的反應系統,如圖3所示。
並且沒有傳熱,因為該過程被定義為絕熱的:
。結果,產物的內能等於反應物的內能:
。因為這是一個封閉的體系,所以產品和反應物的質量是不變的,第一定律可以寫成大規模的,
在恆壓絕熱火焰温度的情況下,系統的壓力保持不變,導致下面的工作方程,
回顧我們恢復的焓的定義:
。因為這是一個封閉的體系,所以產品和反應物的質量是不變的,第一定律可以寫成大規模的,
我們看到恆壓過程的絕熱火焰温度低於恆定過程的絕熱火焰温度。這是因為在燃燒過程中釋放的一些能量會改變控制系統的體積。通常在兩個過程之間進行的一個類比是通過在內燃機中燃燒。對於恆定體積絕熱過程,當活塞到達其頂點(Otto循環或恆定容積循環)時,燃燒被認為是瞬間發生的。對於恆壓絕熱過程,當發生燃燒時,活塞正在移動以保持壓力恆定(柴油循環或恆定壓力循環)。
如果我們假設燃燒完成(即,{\ displaystyle CO_ {2}}和{\ displaystyle H_ {2} O}),我們可以在化學計量條件下或者在稀化學計量(多餘空氣)下手工計算絕熱火焰温度。這是因為有足夠的變量和摩爾方程來平衡左側和右側,
化學計量比較多,沒有足夠的變量,因為至少燃燒不能完成{\ displaystyle CO}和{\ displaystyle H_ {2}}需要的摩爾平衡(這些是最常見的不完全燃燒產物),
但是,如果我們包括水煤氣變換反應,
並使用這個反應的平衡常數,我們將有足夠的變量來完成計算。
具有不同能量和摩爾組分的不同燃料將具有不同的絕熱火焰温度。
我們可以看到為什麼硝基甲烷(CH3NO2)經常被用作汽車的動力提升。由於每摩爾硝基甲烷含有兩摩爾氧氣,因此它可以燃燒得更熱,因為它提供了自己的氧化劑和燃料。這反過來又使其在恆定量的過程中產生更多的壓力。壓力越高,活塞上的力越大,在發動機中產生更多的功和更多的功率。值得注意的是,由於它含有自己的氧化劑,所以它保持比較熱的化學計量比。然而,由於這個較高的温度,在硝基甲烷上連續運行發動機將最終熔化活塞和/或汽缸
[2]
。
在現實世界的應用中,完全燃燒通常不會發生。化學規定解離和動力學會改變產物的相對組分。有許多方案可以計算絕熱火焰的温度,考慮到通過平衡常數解析(Stanjan,NASA CEA,AFTP)。下圖説明了解離的影響會降低絕熱火焰的温度。這個結果可以通過Le Chatelier的原理來解釋。
由於火焰温度對化學反應速率所起到的作用,火焰温度可能是燃燒最重要的一個性質。火焰温度既可以通過實驗測量出來,又可以通過計算得到。為了方便起見,引入了絕熱火焰温度的概念。絕熱火焰温度指的是,在一定的初始温度和壓力下,給定的燃料(包含燃料和氧化劑),在等壓絕熱條件下進行化學反應,燃燒系統(屬於封閉系統)所達到的終態温度。在實際中,火焰的熱量有一部分以熱輻射和對流的方式損失掉了,所以絕熱火焰温度基本上不可能達到。然而,絕熱火焰温度在燃燒效率和熱量傳遞的計算中起到很重要的作用。對於高温火焰(高於1800 K ),燃燒產物發生了分解反應,不但體積增大,還吸收了大量的熱量。在低温時,化學當量比混合物或者貧燃料混合物燃燒後的產生應該只有CO2和H2O,然而這些產物很不穩定,只要温度稍高一點,就可能部分轉變為成簡單的分子、原子和離子形式(例如,C0, H2, O, H和OH)。相應地在轉變過程中,能量被吸收,最大火焰温度也相應地被減小了。
- 參考資料
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- 1. Power Point Presentation: Flame Temperature, Hsin Chu, Department of Environmental Engineering, National Cheng Kung University, Taiwan
- 2. North American Combustion Handbook, Volume 1, 3rd edition, North American Mfg Co., 1986.
- 3. North American Combustion Handbook, Volume 1, 3rd edition, North American Mfg Co., 1986.
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