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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.

Usa la virgola o il punto come separatore decimale (es. 63,62 o 63.62). I totali possono non dare esattamente 100% per componenti in tracce non elencati (es. idrocarburi pesanti nel gas naturale). Il PCI di ogni gas è calcolato dal PCI standard di ciascun componente puro più una piccola correzione fissa, tarata per riprodurre il PCI di riferimento del gas originale.

Come si calcola

Il motore di calcolo esegue un bilancio energetico della combustione componente per componente, non una semplice media.

Il modello, passo dopo passo
  • 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.
Modello validato sul caso di riferimento del foglio di calcolo originale (82% BFG / 5% LDG / 5% COG / 8% GN, aria a 450 °C, 10% di eccesso d'aria, K1 = 0,78): TFT calcolata ≈ 1.821 °C (riferimento 1.808 °C) e TFP ≈ 1.421 °C (riferimento 1.410 °C), differenza inferiore all'1%.

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

K2 — spazio della fiamma
Temp. di fiamma teorica (TFT)
adiabatica
Temp. di fiamma pratica (TFP)
TFT × K1 × K2 × K3
PCI della miscela
kcal/Nm³
Densità della miscela
kg/Nm³ · 0 °C / 1 atm
Densità relativa
rispetto all'aria
Calore specifico
kcal/Nm³·°C
Indice di Wobbe inferiore
kcal/Nm³

Forno di riscaldo con fiamma animata

Colore e lunghezza della fiamma seguono la temperatura pratica calcolata (TFP) e l'eccesso d'aria.
Rendimento pirometrico
  • 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.