Nejnavštěvovanější odborný web
pro stavebnictví a technická zařízení budov
estav.tvnový videoportál

TZB-info / Vytápění / Vytápíme plynem / Zemní plyn, zápalná a spalovací teplota, mez zápalnosti, teplota plamene aj.

Zemní plyn, zápalná a spalovací teplota, mez zápalnosti, teplota plamene aj.

Podmínky zapálení a spalování zemního plynu

11.5.2004
Ing. Josef Fík

Zemní plyn a jeho zápalná teplota, mez zápalnosti, spalovací rychlost, spalovací teploty a teploty plamene, spalovací trojúhelník, číselně i graficky.

Tento článek navazuje na článek Zemní plyn - spalné teplo a další vlastnosti.

Spalovací trojúhelník zemního plynu

Spalovací trojúhelníky slouží ke grafické kontrole spalování zemních plynů.

Ze kterýchkoliv dvou známých hodnot složek spalin (CO2, O2, CO), zjištěných rozborem spalin a stechiometrického objemu spalovacího vzduchu n, je možno s pomocí spalovacího trojúhelníku stanovit obě zbývající hodnoty, případně se ověří přesnost provedeného rozboru.


Na obr. 1 je znázorněn Ostwaldův spalovací trojúhelník tranzitního zemního plynu.

Zápalná teplota zemního plynu

Zápalná teplota zemního plynu tZ představuje minimální teplotu rovnoměrně ohřívané směsi zemního plynu se vzduchem nebo kyslíkem, při které dojde k samovolnému zapálení směsi.

V tab. 19 jsou uvedeny zápalné teploty tz směsí jednotlivých hořlavých složek zemních plynů se vzduchem (n = 1) a kyslíkem (101 325 Pa).

Složka zemního plynu Zápalná teplota tz [°C]
směs se vzduchem směs s kyslíkem
Metan CH4 595 560
Etan C2H6 515 515
Propan C3H8 470 -
n - Butan C4H1O 365 -
Pentan C5H12 285 -
Tab. 19

V tab. 20 jsou uvedeny přibližné hodnoty zápalných teplot tranzitního, norského, alžírského a holandského zemního plynu ve směsi se vzduchem pro n =1 a 101 325 Pa.

Zemní plyn Zápalná teplota tz [°C]
Tranzitní 600
Norský 590
Alžírský 580
Holandský 630
Tab. 20

Meze zápalnosti zemního plynu

Meze zápalnosti určují mezní koncentrace zemních plynů ve směsi se vzduchem nebo kyslíkem, v jejichž rozmezí zemní plyn hoří. Mimo tyto meze nelze zemní plyn zapálit.

Dolní mez zápalnosti zemního plynu LD představuje minimální procentuální objemový podíl zemního plynu ve směsi se vzduchem nebo kyslíkem, která již umožňuje samovolné šíření plamene.

Horní mez zápalnosti zemního plynu LH představuje maximální procentuální objemový podíl zemního plynu ve směsi se vzduchem nebo kyslíkem, která ještě umožňuje samovolné šíření plamene.

V tab. 21 jsou uvedeny hodnoty mezí zápalnosti hořlavých složek zemních plynů při 20°C a 101 325 Pa.

Složka ZP Směs se vzduchem Směs s kyslíkem
LD [%] LH [%] LD [%] LH [%]
Metan CH4 5,2 13,4 5,1 61
Etan C2H6 3,1 11,6 3,0 66,0
Propan C3H8 2,5 9,3 2,3 55,0
n - Butan C4H1O 2,1 7,5 1,8 49,0
Pentan C5H12 1,4 7,8 - -
Tab. 21

Meze zápalnosti směsí plynů se stanoví s použitím Le - Chatelierova pravidla.

Dolní mez zápalnosti zemního plynu LD se stanoví z rovnice:

Horní mez zápalnosti zemního plynu LH se stanoví z rovnice:

LD, LH - dolní, resp. horní mez zápalnosti zemního plynu      [%]
LiD, LiH - dolní, resp. horní meze zápalnosti jednotlivých hořlavých složek zemního plynu      [%]
ri - procentuální objemový podíl jednotlivých hořlavých složek zemního plynu      [%]
m - součet procentuálních objemových podílů jednotlivých inertních složek zemního plynu      [%]

V tab. 22 jsou uvedeny hodnoty mezí zápalnosti tranzitního, norského, alžírského a holandského zemního plynu v závisloti na teplotě, při 101 325 Pa.

Zemní plyn Meze zápalnosti [%]
0°C 20°C 50°C 100°C
LD LH LD LH LD LH LD LH
Tranzitní 5,3 13,3 5,2 13,5 4,9 13,4 4,7 13,6
Norský 4,9 13,0 4,7 13,1 4,6 13,1 4,4 13,3
Alžírský 4,7 12,8 4,6 12,9 4,4 12,9 4,2 13,1
Holandský 5,7 13,2 5,6 13,3 5,4 13,3 5,1 13,5
Tab. 22
Zemní plyn Meze zápalnosti [%]
150°C 200°C 250°C 300°C
LD LH LD LH LD LH LD LH
Tranzitní 4,4 13,9 4,2 14,5 3,9 15,1 3,7 15,7
Norský 4,1 13,6 3,9 14,2 3,6 14,8 3,4 15,3
Alžírský 3,9 13,5 3,7 14,0 3,5 14,6 3,3 15,1
Holandský 4,8 13,9 4,6 14,5 4,2 15,1 4,0 15,7
Tab. 22 pokračování

Spalovací rychlost zemního plynu

Normálová spalovací rychlost zemního plynu un má směr normály k čelu plamene a její velikost je závislá na hodnotě stechiometrického objemu spalovacího vzduchu n. S rostoucí teplotou směsi normálová spalovací rychlost roste.

Maximální spalovací rychlost zemního plynu un max je nejvyšší dosažitelná rychlost spalování zemního plynu při dané teplotě plynovzdušné směsi.

Normálové spalovací rychlosti un se vztahují pouze na spalování nehybné směsi zemních plynů se vzduchem nebo kyslíkem, nebo na spalování těchto směsí při laminárním proudění. Pro spalování směsí zemních plynů se vzduchem, proudících vyššími rychlostmi, se používá pojmu turbulentní spalovací rychlost wt.

V tab. 23 jsou uvedeny hodnoty maximálních normálových spalovacích rychlostí un max (cm.s-1) jednotlivých hořlavých složek zemních plynů ve směsi se vzduchem a kyslíkem (20°C, 101 325 Pa).

Složka zemního plynu Maximální spalovací rychlost un max
vzduch kyslík
[cm.s-1] % složky
ve směsi		 [cm.s-1] % složky
ve směsi
Metan CH4 43,0 10,17 420 33,0
Etan C2H6 48,7 5,99 - -
Propan C3H8 47,2 4,27 365 17,0
n - Butan C4H1O 45,3 3,38 480 13,0
Pentan C5H12 55,0 2,64 - -
Tab. 23

Maximální spalovací rychlosti zemních plynů se stanoví z empirického Weaverova vztahu:

un H2 = 346 cm.s-1 - max. spalovací rychlost vodíku
ri - objemové podíly jednotlivých hořlavých složek zemních plynů      [m3.m-3]
rI - objemový podíl inertů v zemním plynu      [m3.m-3]
VVT - stechiometrický objem spalovacího vzduchu (tab. 13/I. díl)      [m3.m-3]
fi - rychlostní faktory jednotlivých hořlavých složek zemního plynu (tab. 24)

V tab. 24 jsou uvedeny hodnoty rychlostních faktorů fi hořlavých složek zemních plynů.

Složka zemního
plynu		 Rychlostní
faktor fi
Metan CH4 0,0131
Etan C2H6 0,0251
Propan C3H8 0,0346
n - Butan C4H1O 0,0437
Pentan C5H12 0,0666
Tab. 24

Spalovací rychlost zemních plynů roste s rostoucí teplotou směsi zemního plynu se vzduchem podle empirické rovnice:

unT2 - spalovací rychlost při teplotě směsi T2     [m.s-1]
unT1 - spalovací rychlost při teplotě směsi T1      [m.s-1]
VVT - stechiometrický objem spalovacího vzduchu (tab. 13/I. díl)     [m3.m-3]
n - násobek stechiometrického objemu spalovacího vzduchu      [-]

V tab. 25 jsou uvedeny hodnoty spalovacích rychlostí un (cm.s-1) tranzitního zemního plynu v závislosti na násobku stechiometrického objemu spalovacího vzduchu n a na teplotě směsi zemního plynu a vzduchu t, při 101 325 Pa.

°C n
0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25
0
20
50
100
150
200
250
300
350
400		 24,6
28,6
35,1
47,1
60,6
75,5
91,9
109,6
128,7
149,0		 32,0
36,5
43,8
57,2
72,0
88,3
106,1
125,1
145,5
167,2		 36,2
41,1
48,8
62,9
78,6
95,7
114,1
134,0
155,2
177,6		 38,1
43,1
51,0
65,5
81,5
98,9
117,7
137,9
159,4
182,3		 38,2
43,2
51,2
65,7
81,7
99,1
118,0
138,2
159,7
182,5		 37,0
41,9
49,8
64,0
79,8
97,0
115,7
135,7
157,0
179,6		 34,9
39,6
47,2
61,1
76,5
93,3
111,5
131,1
152,1
174,3		 32,0
36,5
43,8
57,2
72,0
88,3
106,0
125,1
145,5
167,2		 28,6
32,9
39,8
52,5
66,7
82,4
99,5
117,9
137,7
158,8		 24,8
28,8
35,3
47,3
60,8
75,8
92,2
110,0
129,0
149,4		 20,7
24,4
30,5
41,8
54,5
68,8
84,4
101,4
119,8
139,4
Tab. 25

V tab. 26 jsou uvedeny hodnoty spalovacích rychlostí un (cm.s-1) holandského zemního plynu v závislosti na násobku stechiometrického objemu spalovacího vzduchu n a na teplotě směsi zemního plynu a vzduchu t, při 101 325 Pa.

°C n
0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25
0
20
50
100
150
200
250
300
350
400		 23,4
27,1
33,1
44,3
56,8
70,6
85,7
102,1
119,7
130,5		 29,7
33,9
40,6
52,9
66,6
81,6
97,8
115,4
134,1
154,0		 33,3
37,7
44,8
57,8
72,1
87,8
104,7
122,9
142,3
162,9		 34,9
39,4
46,7
60,0
74,6
90,5
107,7
126,2
145,9
166,8		 34,9
39,5
46,8
60,0
74,7
90,6
107,9
126,4
146,1
167,0		 33,9
38,4
45,5
58,6
73,0
88,8
105,8
124,1
143,6
164,3		 31,9
36,3
43,2
55,9
70,0
85,4
102,1
120,1
139,2
159,6		 29,4
33,5
40,2
52,4
66,1
81,0
97,2
114,7
133,4
153,2		 26,4
30,3
36,6
48,3
61,4
75,7
91,4
108,3
126,4
145,8		 23,0
26,7
32,6
43,7
56,1
69,9
84,9
101,2
118,7
137,4		 19,4
22,8
28,3
38,7
50,5
63,6
78,0
93,6
110,5
128,5
Tab. 26

Poznámka:
Spalovací rychlosti un norského a alžírského zemního plynu jsou hodnotám spalovacích rychlostí tranzitního zemního plynu velmi blízké, v důsledku málo odlišných hodnot maximálních spalovacích rychlostí un max jednotlivých hořlavých složek zemních plynů.

Turbulentní spalovací rychlost proudící směsi zemních plynů se vzduchem se stanoví z empirické rovnice:

Wt = 0,596 . un . Du0,26 . Re0,2     [m.s-1]    24

un - normálová spalovací rychlost zemního plynu     [m.s-1]
Du - průměr ústí plynového hořáku      [m]

- Reynoldsovo číslo proudění směsi z ústí plynového hořáku     [-]
wu - rychlost směsi v ústí hořáku       [m.s-1]
- kinematická viskozita směsi zemního plynu se vzduchem      [m2.s-1]

Spalovací teplota zemního plynu

Teoretická (adiabatická) spalovací teplota - tad zemního plynu je nejvyšší možná teplota spalin, dosažitelná při dokonalém spálení směsi zemního plynu a vzduchu (kyslíku) v adiabatických podmínkách (dokonale izolovaný prostor bez tepelných ztrát).

Teoretická spalovací teplota s disociací CO2 a H2O - tdis je teplota spalin po disociaci oxidu uhličitého a vodní páry, obsažených ve spalinách.

Teoretická (adiabatická) spalovací teplota je stejná v celém objemu spalin a nemá praktický význam, neboť při spalování zemního plynu v podmínkách plynových spotřebičů není dosažitelná. Při teplotách spalin nad cca 1600 °C dochází k tepelné disociaci složek spalin - oxidu uhličitého a vodní páry. Tepelná disociace představuje rozkladné reakce:

CO2 → CO + 0,5 O2
H2O → H2 + 0,5 O2

Stupeň těchto reakcí je dán rovnovážnými konstantami, které jsou závislé na teplotě spalin a na parciálním tlaku obou složek ve spalinách.

Disociační reakce mají endotermický charakter (t.j. spotřebují ke svému průběhu část tepla spalin) a snižují teoretickou spalovací teplotu tad na hodnotu tdis.

Na obr. 2 je znázorněna závislost teoretických spalovacích teplot tad a tdis na teplotě spalovacího vzduchu a na násobku stechiometrického objemu spalovacího vzduchu n.


Obr. 2

Skutečná spalovací teplota zemního plynu

Pyrometrická účinnost ηp je poměr skutečné a teoretické spalovací teploty a vyjadřuje kvalitu spalovacího procesu a jeho tepelné ztráty:

Skutečná spalovací teplota - tskut je teplota spalin dosažitelná ve skutečném prostředí plynových spotřebičů, při započtení tepelných ztrát.

Pyrometrická účinnost ηp nevyjadřuje energetickou účinnost spotřebiče, t.j. stupeň využití plynného paliva ve spotřebiči, nýbrž pouze stupeň dosažitelné spalovací teploty a stanovuje se měřením teplot v daném plynovém spotřebiči. Prakticky dosahované hodnoty pyrometrické účinnosti se pohybují v rozmezí ηp = 0,5 až 0,85.

Teplota plamene zemního plynu

Teploty plamene jsou teploty zjištěné empiricky měřením teplotních polí plamenů plynových hořáků ve zkušebních zařízeních vybavených teplotními sondami, kterými je možno přesně změřit teplotu v kterémkoliv místě plamene.

V odborné literatuře bývá někdy jako teplota plamene označována teoretická spalovací teplota. Zatímco teoretická spalovací teplota tad i teoretická teplota s disociací tdis mají stálé hodnoty v celém objemu vzniklých spalin, teploty plamene se v různých místech plamene liší.

 
 
Reklama