Temperatura di fiamma
Calcolatore interattivo della temperatura di fiamma teorica (adiabatica) e pratica per miscele di gas industriali, con l'animazione di un forno di riscaldo.
TFT, TFP e i coefficienti K1, K2, K3
Quando un combustibile gassoso brucia, l'energia liberata riscalda i prodotti della combustione. La temperatura che raggiungerebbero in una combustione perfetta, senza perdite, è la temperatura di fiamma teorica (adiabatica). In pratica, le perdite per irraggiamento, la miscelazione imperfetta e la geometria dell'ambiente la riducono alla temperatura di fiamma pratica.
TFT — Temperatura teorica
Detta anche temperatura adiabatica di fiamma. È la temperatura che i fumi raggiungerebbero se tutta l'energia del combustibile (PCI) più il calore sensibile di combustibile e aria servissero a riscaldare i prodotti, senza alcuna perdita.
Si ottiene da un bilancio energetico: energia liberata = energia necessaria per portare CO₂, H₂O, N₂ e O₂ in eccesso fino alla TFT.
TFP — Temperatura pratica
È la temperatura realmente osservata nella fiamma, sempre inferiore alla TFT, perché parte del calore si perde per irraggiamento verso pareti e carica e per turbolenza e miscelazione imperfetta con l'aria.
Si calcola come TFP = TFT × K1 × K2 × K3, dove ogni coefficiente rappresenta un tipo di perdita di rendimento pirometrico.
K1, K2, K3
K1 dipende dal PCI del gas: più il gas è povero, più alto è K1 (0,78 per PCI < 1.000; 0,75 per PCI > 2.250 kcal/Nm³, lineare nell'intervallo).
K2 dipende dallo spazio in cui si sviluppa la fiamma (aperto, semichiuso, chiuso). K3 dipende dalla turbolenza del bruciatore.
Composizioni di riferimento e PCI di ciascun gas Tabella modificabile: cambia la composizione di qualsiasi gas e la temperatura di fiamma viene ricalcolata nel calcolatore qui sotto
Composizione volumetrica (%) di ciascun gas di riferimento. Tutte le celle di composizione sono modificabili: cambia un valore per simulare una nuova analisi. PCI, densità, calore specifico, colonna della miscela e TFT/TFP si aggiornano a ogni cifra digitata.
Come si calcola
Il motore di calcolo esegue un bilancio energetico della combustione componente per componente, non una semplice media.
- 1. Composizione della miscela: ciascuno dei 10 componenti (CH₄, CO, H₂, CO₂, N₂, C₂H₆, C₂H₄, C₂H₂, O₂, C₃H₈) è la media ponderata dei 6 gas in ingresso secondo la loro quota nella miscela.
- 2. PCI di ogni gas: calcolato dal PCI standard di ciascun componente puro (CH₄ ≈ 8.555; CO ≈ 3.018; H₂ = 2.575; C₂H₆ ≈ 15.280 kcal/Nm³ ecc.) più una piccola correzione fissa per gas. Densità e calore specifico della miscela sono medie ponderate dei gas in ingresso.
- 3. Aria stechiometrica: calcolata componente per componente (CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O; CO + ½ O₂ → CO₂; H₂ + ½ O₂ → H₂O ecc.), con il tenore di O₂ del comburente (21% per l'aria, di più con arricchimento di ossigeno) e l'eccesso d'aria.
- 4. Prodotti di combustione: CO₂, H₂O, N₂ e O₂ in eccesso, dalla stechiometria di ciascun componente.
- 5. Bilancio energetico: l'energia in ingresso (PCI + calore sensibile di combustibile e aria preriscaldati, riferimento 25 °C) è uguagliata all'energia per riscaldare i prodotti fino alla TFT, con calori specifici medi variabili con la temperatura. La TFT si ottiene per iterazione numerica.
- 6. TFP = TFT × K1 × K2 × K3, con i coefficienti scelti.
Calcolatore della temperatura di fiamma Regola la miscela e le condizioni di combustione; la fiamma del forno risponde in tempo reale
Quota di ogni gas nella miscela 100%
Condizioni di combustione
Rendimento pirometrico
Forno di riscaldo con fiamma animata
- TFP = TFT × K1 × K2 × K3
- K1 dipende dal PCI: PCI < 1.000 kcal/Nm³ → K1 = 0,78; PCI > 2.250 kcal/Nm³ → K1 = 0,75; lineare nell'intervallo (suggerito automaticamente, ma modificabile).
- K2 dipende dallo spazio della fiamma: aperto (forno di riscaldo) K2 = 1; semichiuso (camera di combustione) K2 = 1,04; chiuso (tubo radiante) K2 = 1,09.
- K3 dipende dal bruciatore: fiamma stabile senza turbolenza eccessiva, K3 = 1; fiamma molto turbolenta con forte ricircolo dei fumi, K3 tra 0,95 e 1.
Riepilogo
- La temperatura di fiamma teorica (TFT) deriva da un bilancio energetico: PCI del gas + calore sensibile di combustibile e aria preriscaldati = calore necessario a riscaldare i prodotti della combustione.
- La temperatura di fiamma pratica (TFP) è sempre inferiore alla TFT perché tiene conto delle perdite reali: TFP = TFT × K1 × K2 × K3.
- Preriscaldare l'aria comburente (recuperatori e rigeneratori) aumenta TFT e TFP. Più eccesso d'aria abbassa la temperatura di fiamma perché diluisce i prodotti.
- Arricchire il comburente con ossigeno (oltre il 21%) riduce l'N₂ inerte da riscaldare e alza la temperatura di fiamma a parità di combustibile.
- I gas poveri (basso PCI, come il gas d'altoforno) raggiungono temperature di fiamma più basse dei gas ricchi (GN, H₂), salvo forte preriscaldo dell'aria. Per questo il preriscaldo è essenziale nei forni alimentati a gas d'altoforno.
- La composizione di ogni gas si può modificare nella tabella della sezione 2 per simulare nuove analisi di laboratorio, con aggiornamento di tutti i risultati.