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

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 t_Z 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 t_z 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 L_D představuje minimální procentuální objemový podíl zemního plynu ve směsi se vzduchem nebo kyslíkem, která již umožňuje samovolné šíření plamene.

Horní mez zápalnosti zemního plynu L_H 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 L_D se stanoví z rovnice:

Horní mez zápalnosti zemního plynu L_H se stanoví z rovnice:

L_D, L_H - dolní, resp. horní mez zápalnosti zemního plynu      [%]
L_iD, L_iH - dolní, resp. horní meze zápalnosti jednotlivých hořlavých složek zemního plynu      [%]
r_i - 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 u_n 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 u_{n max} je nejvyšší dosažitelná rychlost spalování zemního plynu při dané teplotě plynovzdušné směsi.

Normálové spalovací rychlosti u_n 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 w_t.

V tab. 23 jsou uvedeny hodnoty maximálních normálových spalovacích rychlostí u_{n 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:

u_{n H2} = 346 cm.s^-1 - max. spalovací rychlost vodíku
r_i - objemové podíly jednotlivých hořlavých složek zemních plynů      [m³.m^-3]
r_I - objemový podíl inertů v zemním plynu      [m³.m^-3]
V_VT - stechiometrický objem spalovacího vzduchu (tab. 13/I. díl)      [m³.m^-3]
f_i - rychlostní faktory jednotlivých hořlavých složek zemního plynu (tab. 24)

V tab. 24 jsou uvedeny hodnoty rychlostních faktorů f_i 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:

u_n^T2 - spalovací rychlost při teplotě směsi T₂     [m.s^-1]
u_n^T1 - spalovací rychlost při teplotě směsi T₁      [m.s^-1]
V_VT - 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 u_n (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 u_n (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 u_n norského a alžírského zemního plynu jsou hodnotám spalovacích rychlostí tranzitního zemního plynu velmi blízké, v důsledku málo odlišných hodnot maximálních spalovacích rychlostí u_{n max} jednotlivých hořlavých složek zemních plynů.

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

W_t = 0,596 . u_n . D_u^0,26 . Re^0,2     [m.s^-1]    24

u_n - normálová spalovací rychlost zemního plynu     [m.s^-1]
D_u - průměr ústí plynového hořáku      [m]

- Reynoldsovo číslo proudění směsi z ústí plynového hořáku     [-]
w_u - 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 - t_ad 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 - t_dis 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 t_ad na hodnotu t_dis.

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

Obr. 2

Skutečná spalovací teplota zemního plynu

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

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

Pyrometrická účinnost η_p 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 η_p = 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 t_ad i teoretická teplota s disociací t_dis mají stálé hodnoty v celém objemu vzniklých spalin, teploty plamene se v různých místech plamene liší.