Pembakaran Bahan Bakar dan Transfer Kalor dalam Bakar: Mengoptimalkan Efisiensi Energi
Pendahuluan: Pembakaran dan Transfer Kalor dalam Bakar
Panas diperlukan dalam bakar untuk memanaskan muatan bahan (material yang dipanaskan dalam bakar) dan kadang-kadang untuk reaksi kimia. Tiga sumber energi panas adalah (i) pembakaran bahan bakar, (ii) energi listrik, dan (iii) energi kimia yang tersedia melalui reaksi eksotermik. Selain bakar elektro-termal, kebutuhan panas ini (kecuali energi kimia) terpenuhi melalui pembakaran bahan bakar. Bahan bakar dapat berupa bahan bakar gas (misalnya gas sampingan seperti gas oven kokas, gas tungku timur, dan gas konverter, gas alam, dan gas petroleum cair dll.), bahan bakar cair (misalnya minyak bakar, dan terpa dll.), atau bahan bakar padat (misalnya batu bara, dan kokas dll.).
Dasar Teori Pembakaran Bahan Bakar
Semua bahan bakar mengandung energi potensial. Saat pembakaran, energi potensial ini dilepaskan dalam hasil pembakaran (POC). Pembakaran biasanya dianggap sebagai pelepasan terkontrol panas dan energi dari reaksi kimia antara bahan bakar dan pengoksidasi. Hampir semua pembakaran dalam proses industri menggunakan bahan bakar hidrokarbon. Reaksi pembakaran umum untuk bahan bakar hidrokarbon typikal diberikan oleh persamaan bahan bakar + pengoksidasi = karbon dioksida (CO2) + uap air (H2O) + spesies lain. 'Spesies lain' bergantung pada jenis pengoksidasi yang digunakan dan rasio bahan bakar terhadap pengoksidasi. Pengoksidasi yang paling banyak digunakan adalah udara, yang terdiri dari hampir 79 % nitrogen (N2) menurut volume dan umumnya diangkut melalui proses pembakaran. Jika pembakaran kaya bahan bakar, artinya tidak cukup oksigen (O2) untuk membakar bahan bakar sepenuhnya, maka terdapat hidrokarbon yang tidak terbakar dalam produk buangan dan sedikit, jika ada, O2 berlebih. Jika pembakaran kurangi bahan bakar, artinya ada lebih banyak O2 dari yang diperlukan untuk membakar bahan bakar sepenuhnya, dan kemudian ada O2 berlebih dalam produk buangan.
Pengaruh Bahan Bakar terhadap Transfer Kalor
Bahan bakar memiliki pengaruh yang signifikan terhadap transfer kalor dalam sistem pembakaran bakar. Salah satu properti terpenting adalah nilai pemanasan bahan bakar. Ini digunakan untuk menentukan sejumlah besar bahan bakar yang harus dibakar untuk memproses laju produksi yang diinginkan dari material yang dipanaskan. Nilai pemanasan ditentukan sebagai nilai pemanasan lebih tinggi (HHV) atau nilai pemanasan lebih rendah (LHV).
LHV mengecualikan panas penguapan, yaitu energi yang diperlukan untuk mengubah air cair menjadi uap. Ini berarti LHV mengasumsikan semua POC berupa gas, yang biasanya merupakan kasus untuk hampir semua aplikasi pembakaran industri. Jika produk pembakaran akan keluar dari proses pada suhu cukup rendah sehingga semua air berubah dari gas menjadi cair, maka panas kondensasi harus dilepaskan ke dalam proses sebagai sumber energi tambahan. HHV dari bahan bakar mencakup energi tambahan ini.
Komposisi Bahan Bakar dan Udara Buang
Komposisi bahan bakar penting dalam menentukan komposisi POC dan jumlah pengoksidasi yang diperlukan untuk membakar bahan bakar. Kepadatan bahan bakar diperlukan untuk menentukan laju aliran melalui sistem pengiriman bahan bakar bakar dan ukuran pipa terkait.
Komposisi gas buang sangat penting dalam menentukan transfer kalor dalam bakar. Hidrokarbon yang tidak terbakar dalam gas buang menunjukkan bahwa bahan bakar tidak terbakar sepenuhnya dan oleh karena itu semua panas yang tersedia belum dilepaskan. Tingkat O2 berlebih yang tinggi dalam gas buang biasanya menunjukkan bahwa terlalu banyak pengoksidasi telah disuplai. Pengoksidasi berlebih membawa energi indas keluar melalui gas buang. Ini berarti kembali bahwa beberapa panas yang tersedia dari bahan bakar belum sepenuhnya digunakan untuk memanaskan muatan bahan bakar. Jika pengoksidasi adalah udara, maka proporsi besar dari energi yang tersedia dalam bahan bakar dibawa keluar dalam asap dengan produk pembakaran.
Transfer Kalor ke Muatan Bahan
POC mentransfer energi panas ke muatan bahan bakar untuk meningkatkan suhunya ke nilai yang diperlukan dan kemudian keluar dari bakar. Kalor indas dalam POC pada suhu proses kritis tidak tersedia untuk bakar. Semakin tinggi suhu proses kritis, semakin tinggi kalor indas dalam POC. Kalor indas dalam POC ini sangat penting dari sudut pandang pemanfaatan bahan bakar.
Ada dua tipe umum pengoksidasi yang digunakan dalam proses pembakaran industri. Mayoritas proses menggunakan udara sebagai pengoksidasi. Namun, banyak proses suhu tinggi menggunakan pengoksidasi yang mengandung konsentrasi O2 lebih tinggi dari yang tersedia dalam udara (sekitar 21 % menurut volume). Tipe pembakaran ini disebut pembakaran ditingkatkan O2. Dalam banyak kasus, laju produksi dalam proses pemanasan dapat meningkat secara signifikan dengan hanya jumlah O2 yang sedikit untuk pengayaan.
Dalam beberapa kasus, pembakar udara/bahan bakar dapat beroperasi dengan sukses dengan pengoksidasi yang mengandung sekitar 30 % O2 dengan sedikit atau tidak ada modifikasi. Pada konsentrasi O2 yang lebih tinggi, nyala api dapat menjadi tidak stabil atau suhu nyala api dapat menjadi terlalu tinggi untuk pembakar yang dirancang untuk beroperasi dalam kondisi udara/bahan bakar. Dalam aplikasi suhu tinggi, di mana manfaat O2 dengan kemurnian lebih tinggi membiayai biaya tambahan, pengoksidasi dengan kemurnian lebih tinggi dapat digunakan (lebih dari 90 % O2). Proses pemanasan sangat diintensifikasi oleh O2 dengan kemurnian tinggi. Kemurnian pengoksidasi memiliki pengaruh signifikan terhadap transfer kalor dalam sistem pembakaran.
Rasio Stoikiometri dan Komposisi Pengoksidasi
Aspek penting dalam sistem pembakaran adalah rasio bahan bakar terhadap pengoksidasi. Ada banyak cara untuk menentukan ini. Reaksi pembakaran global menggunakan CH4 (metana) sebagai bahan bakar dapat ditulis sebagai CH4 + (xO2 + yN2) = CO, CO2, H2, H2O, N2, NOx, O2, komponen jejak. Stoikiometri reaksi menunjukkan rasio O2 terhadap bahan bakar untuk sistem pembakaran tertentu. Satu cara untuk mengukur stoikiometri adalah hanya mempertimbangkan O2 dalam pengoksidasi, karena inersia dalam pengoksidasi tidak diperlukan untuk reaksi. Oleh karena itu, mempertimbangkan CH4 sebagai bahan bakar, reaksi stoikiometri global sederhana dengan udara dapat ditulis sebagai CH4 + (2O2 + 7.52N2) = CO2 + 2H2O + 7.52N2. Dalam reaksi ini, udara direpresentasikan sebagai 2O2 + 7.52N2. Di sini rasio stoikiometri adalah 2 karena 2 molekul O2 diperlukan untuk membakar satu molekul CH4.
Cara menentukan rasio stoikiometri ini umumnya digunakan untuk sistem pembakaran yang menyertakan pengayaan O2. Ini karena jumlah O2 yang disuplai ke sistem pembakaran sangat penting.
Nyala api sebenarnya biasanya memerlukan beberapa O2 berlebih untuk pembakaran lengkap bahan bakar. Ini karena pencampuran yang tidak sempurna antara bahan bakar dan pengoksidasi. Untuk pembakaran kaya bahan bakar CH4, rasio stoikiometri kurang dari 2. Dalam kasus pembakaran kurangi bahan bakar CH4, rasio stoikiometri lebih dari 2. Oleh karena itu, komposisi pengoksidasi penting. Cara umum untuk menentukan komposisi pengoksidasi adalah dengan menghitung fraksi mol O2 dalam pengoksidasi.
Banyak proses pembakaran industri berjalan dengan sekitar 3 % lebih banyak O2 daripada yang diperlukan secara teoretis untuk pembakaran sempurna. Ini sering kali jumlah O2 berlebih yang diperlukan untuk meminimalkan emisi hidrokarbon yang tidak terbakar dan memastikan pembakaran lengkap bahan bakar. Ini dapat disebabkan oleh keterbatasan pencampuran antara bahan bakar dan pengoksidasi, terutama dalam sistem tidak terpracampur.
Terlalu banyak O2 berlebih berarti energi dibuang untuk memanaskan udara pembakaran berlebih, bukan muatan bahan bakar. Oleh karena itu, diinginkan untuk hanya menggunakan O2 berlebih yang cukup untuk mendapatkan emisi CO (karbon monoksida) yang rendah. Contoh reaksi global sederhana untuk CH4 dengan 3 % O2 berlebih adalah reaksi CH4 + (2.06O2 + 7.75N2) = CO2 + 2H2O + 0.06O2 + 7.75N2.
Sifat Pembakaran dan Karakteristik Nyala Api
Hampir semua nyala api industri turbulen yang biasanya ditentukan oleh Reynolds turbulen (Re). Skala panjang karakteristik turbulen biasanya disebut panjang Kolmogorov. Panjang Kolmogorov mewakili dimensi di mana dissipasi terjadi. Skala panjang Taylor dapat didefinisikan sebagai rasio laju regangan terhadap viskositas. Berbagai panjang dapat digunakan untuk mengkarakterisasi nyala api. Nyala api dapat (i) nyala api berkerut, (ii) nyala api sangat berkerut, (iii) flamelets dalam eddies, dan (iv) fronte reaksi terdistribusi. Angka Damköhler tanpa dimensi (Da) menunjukkan jenis waktu reaksi yang signifikan untuk jenis reaksi pembakaran tertentu. Angka ini adalah rasio waktu reaksi terhadap laju aliran.
Sifat Pembakaran
Sifat pembakaran normal yang biasanya digunakan dalam aplikasi industri adalah (i) komposisi produk pembakaran, (ii) suhu nyala api, (iii) panas yang tersedia, dan (iv) volume gas buang setelah pembakaran. Ini penting dalam menghitung transfer kalor dari nyala api dan gas buang ke bakar dan ke muatan bahan bakar.
Produk Pembakaran
Ada sejumlah variabel yang dapat memiliki dampak signifikan terhadap produk pembakaran. Beberapa variabel penting meliputi komposisi pengoksidasi, rasio pencampuran, suhu pra-pemanasan udara dan bahan bakar, dan komposisi bahan bakar. Ini dibahas singkat di bawah ini.
Komposisi pengoksidasi – Mengambil contoh pembakaran CH4, pembakaran stoikiometri CH4 dengan udara dapat direpresentasikan oleh persamaan global CH4 + 2O2 + 7.52N2 = CO2, 2H2O, 7.52N2, dan komponen jejak. Terlihat bahwa lebih dari 70 volume persen gas buang adalah N2. Demikian pula, proses pembakaran stoikiometri O2/CH4 dapat direpresentasikan oleh persamaan CH4 + 2O2 = CO2, 2H2O, dan spesies jejak. Volume gas buang berkurang secara signifikan dengan eliminasi N2. Secara umum, proses pembakaran CH4 ditingkatkan O2 stoikiometri dapat direpresentasikan oleh persamaan CH4 + 2O2 + xN2 = CO2 + 2H2O + xN2 + komponen jejak.
Komposisi aktual produk buang dari reaksi pembakaran tergantung pada beberapa faktor, termasuk komposisi pengoksidasi, suhu gas, dan rasio ekuivalensi. Rasio ekuivalensi didefinisikan sebagai rasio rasio bahan bakar/udara aktual terhadap rasio bahan bakar/udara stoikiometri. Pembakaran stoikiometri terjadi ketika semua O2 dikonsumsi dalam reaksi, dan tidak ada molekul O2 dalam produk.
Proses adiabatik berarti tidak ada panas yang hilang selama reaksi, atau reaksi terjadi dalam kamera yang terisolasi sempurna. Ini bukan kasus dalam proses pembakaran aktual di mana panas hilang dari nyala api melalui radiasi. Produk utama yang diprediksi untuk pembakaran ekuilibrium adiabatik CH4 adalah fungsi dari komposisi pengoksidasi.
Proses ekuilibrium berarti ada waktu tak terbatas untuk reaksi kimia terjadi, atau produk reaksi tidak terbatas oleh kinetika kimia. Namun, dalam kondisi aktual, reaksi pembakaran diselesaikan dalam fraksi detik. Lebih jauh, seiring N2 dihapus dari pengoksidasi, konsentrasi N2 dalam produk buang berkurang secara sebanding. Demikian pula, terjadi peningkatan konsentrasi CO, CO2 dan H2O. Untuk proses adiabatik ini, ada jumlah CO yang signifikan pada tingkat O2 yang lebih tinggi dalam pengoksidasi.
Produk radikal H, O, dan OH semuanya meningkat dengan O2 dalam pengoksidasi. NO (oksida nitrogen) awalnya meningkat dan kemudian menurun setelah sekitar 60 % O2 dalam pengoksidasi seiring N2 lebih banyak dihapus dari sistem. Jika pengoksidasi adalah O2 murni, NO tidak terbentuk karena tidak ada N2 yang tersedia. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam bentuk H2 dan pengoksidasi yang tidak bereaksi dalam bentuk O2 juga meningkat dengan konsentrasi O2 dalam pengoksidasi. Peningkatan konsentrasi radikal ini, bahan bakar yang tidak terbakar dalam bentuk CO dan H2, dan O2 yang tidak bereaksi semuanya disebabkan oleh disosiasi kimia yang terjadi pada suhu tinggi.
Suhu nyala api aktual lebih rendah dari suhu nyala api ekuilibrium adiabatik karena pembakaran yang tidak sempurna dan radiasi dari nyala api. Suhu nyala api aktual ditentukan oleh seberapa baik nyala api memancarkan panasnya dan seberapa baik sistem pembakaran, termasuk muatan bahan bakar dan dinding refraktori, menyerap radiasi tersebut.
Nyala api yang sangat luminescens biasanya memiliki suhu nyala api yang lebih rendah dari nyala api yang sangat tidak luminescens. Suhu nyala api aktual juga lebih rendah ketika muatan bahan bakar dan dinding lebih menyerap radiasi. Ini terjadi ketika muatan bahan bakar dan dinding berada pada suhu lebih rendah dan memiliki absorptivitas radiansi yang lebih tinggi.
Saat produk pembakaran gas meninggalkan nyala api, mereka biasanya kehilangan lebih banyak panas melalui konveksi dan radiasi saat mereka bepergian melalui kamera pembakaran. Tujuan proses pembakaran adalah mentransfer energi kimia yang terkandung dalam bahan bakar ke muatan bahan bakar, atau dalam beberapa kasus ke kamera pembakaran. Semakin termal efisien proses pembakaran, semakin banyak panas yang ditransfer dari produk pembakaran ke muatan bahan bakar dan ke kamera pembakaran. Oleh karena itu, suhu gas di tiap buang diinginkan jauh lebih rendah dari dalam nyala api dalam proses pemanasan yang termal efisien. Komposisi produk pembakaran kemudian berubah dengan suhu gas.
Rasio Campuran dan Pra-pemanasan
Rasio campuran – Konsentrasi O2 dan N2 dalam gas buang secara ketat menurun dengan rasio ekuivalensi. Konsentrasi H2O dan CO2 mencapai puncak pada kondisi stoikiometri. Ini penting karena kedua gas ini menghasilkan radiasi gas tidak luminescens. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam bentuk H2 dan CO keduanya meningkat dengan rasio ekuivalensi. Ini tercermin dalam panas yang tersedia karena tidak semua bahan bakar terbakar sepenuhnya.
Suhu pra-pemanasan udara dan bahan bakar – Dalam banyak proses pembakaran industri, panas dipulihkan untuk meningkatkan efisiensi termal keseluruhan proses untuk mengurangi biaya operasional. Panas yang dipulihkan biasanya digunakan untuk memanaskan udara pembakaran masuk dan kadang-kadang digunakan untuk memanaskan bahan bakar masuk. Pra-pemanasan udara atau bahan bakar mempengaruhi komposisi produk pembakaran. CO2, H2O, dan N2 semuanya menurun dalam gas buang dengan pra-pemanasan udara, karena disosiasi kimia. Karena pertimbangan keselamatan dan kemungkinan pengendapan arang pada pipa pengiriman bahan bakar, suhu pra-pemanasan bahan bakar yang lebih tinggi tidak praktis atau direkomendasikan dalam sebagian besar kondisi. Umumnya terlihat bahwa hanya ada penurunan ringan dalam konsentrasi komponen utama dan peningkatan ringan dalam konsentrasi komponen minor dari gas buang. Ini karena fakta bahwa massa bahan bakar relatif kecil dibandingkan dengan massa udara pembakaran yang disuplai ke sistem pembakaran. Ini berarti pra-pemanasan udara pembakaran memiliki dampak yang jauh lebih signifikan daripada pra-pemanasan bahan bakar untuk suhu pra-pemanasan yang tertentu.
Komposisi bahan bakar – Produk pembakaran bergantung pada komposisi bahan bakar. Komposisi produk pembakaran yang diprediksi untuk berbagai bahan bakar dalam berbagai kondisi operasional dapat dihitung. Bahan bakar gas yang paling umum digunakan adalah H2 (hidrogen), CH4, C3H8 (propan), dan campuran H2 dan CH4. Ini dimaksudkan untuk mewakili bahan bakar yang biasanya digunakan dalam aplikasi industri. Dalam hal luminescens, H2 menghasilkan nyala api tidak luminescens, CH4 menghasilkan nyala api dengan luminescens rendah, dan C3H8 menghasilkan nyala api dengan luminescens lebih tinggi.
Suhu Nyala Api
Suhu nyala api – Suhu nyala api adalah variabel kritis dalam menentukan transfer kalor dari nyala api ke muatan bahan bakar. Suhu nyala api adiabatik dipengaruhi oleh komposisi pengoksidasi dan bahan bakar, rasio pencampuran, dan suhu pra-pemanasan udara dan bahan bakar. Namun, suhu nyala api aktual tidak setinggi suhu nyala api adiabatik, tetapi tren tersebut dapat dibandingkan dan mewakili kondisi aktual.
Komposisi pengoksidasi dan bahan bakar – Suhu nyala api meningkat secara signifikan ketika udara diganti dengan O2 karena N2 bertindak sebagai pengencer yang menurunkan suhu nyala api. Suhu nyala api biasanya bervariasi untuk udara dan O2 murni. Ada kenaikan cepat dalam suhu nyala api dari udara hingga sekitar 60 % O2 dalam pengoksidasi. Suhu nyala api meningkat pada laju yang lebih lambat untuk konsentrasi O2 yang lebih tinggi. Juga, komposisi bahan bakar memiliki dampak kuat terhadap suhu nyala api. Dalam campuran bahan bakar H2 dan CH4, suhu meningkat seiring bertambahnya kandungan H2 dalam campuran. Penting untuk dicatat bahwa kenaikan tidak linier, dengan kenaikan yang lebih cepat pada tingkat H2 yang lebih tinggi. Karena biaya H2 yang relatif tinggi dibandingkan CH4 dan C3H8, tidak digunakan dalam banyak aplikasi industri. Namun, bahan bakar dengan kandungan H2 tinggi sering digunakan dalam banyak aplikasi hidrokarbon. Bahan bakar ini adalah hasil sampingan proses manufaktur kimia dan oleh karena itu jauh lebih murah daripada membeli H2 dari supplier gas industri dan lebih hemat biaya daripada menggunakan bahan bakar pembelian lainnya.
Rasio pencampuran – Suhu nyala api puncak terjadi pada kondisi stoikiometri. Semakin rendah konsentrasi O2 dalam pengoksidasi, semakin banyak suhu nyala api berkurang dengan beroperasi pada kondisi non-stoikiometri (kaya bahan bakar atau kurangi bahan bakar). Ini karena konsentrasi N2 yang lebih tinggi, yang menyerap panas dan menurunkan suhu keseluruhan. Pada kondisi stoikiometri, ada cukup pengoksidasi untuk membakar semua bahan bakar sepenuhnya. Pengoksidasi tambahan menyerap energi indas dari nyala api dan menurunkan suhu nyala api. Dalam sebagian besar nyala api aktual, suhu nyala api puncak sering terjadi pada kondisi kurangi bahan bakar sedikit. Ini karena pencampuran yang tidak sempurna di mana O2 sedikit lebih banyak diperlukan untuk membakar semua bahan bakar sepenuhnya. Hampir semua aplikasi pembakaran industri dijalankan pada kondisi kurangi bahan bakar untuk memastikan emisi CO rendah. Oleh karena itu, tergantung pada desain pembakar aktual, suhu nyala api dapat mendekati puncaknya, yang sering kali diinginkan untuk memaksimalkan transfer kalor. Satu masalah yang sering dihadapi saat memaksimalkan suhu nyala api adalah emisi NOx (oksida N2) juga memaksimalkan karena NOk meningkat secara eksponensial dengan suhu gas. Ini telah mengarah pada banyak konsep desain untuk mengurangi suhu nyala api puncak dalam nyala api untuk meminimalkan emisi NOx. Ini juga mempengaruhi transfer kalor dari nyala api.
Suhu pra-pemanasan pengoksidasi dan bahan bakar – Suhu nyala api adiabatik bervariasi dan adalah fungsi dari suhu pra-pemanasan pengoksidasi untuk nyala api udara/CH4 dan O2/CH4. Kenaikan suhu nyala api relatif kecil untuk nyala api O2/CH4 karena energi indas yang ditingkatkan dari O2 hanya sebagian kecil dari energi kimia yang terkandung dalam bahan bakar. Untuk nyala api udara/CH4, pra-pemanasan udara memiliki dampak yang lebih dramatis karena kenaikan energi indas sangat signifikan karena massa udara yang besar dalam reaksi pembakaran. Suhu nyala api adiabatik meningkat dengan cepat untuk nyala api bahan bakar/udara pada banyak bahan bakar.
Panas yang Tersedia
Panas yang tersedia – Panas yang tersedia dalam sistem pembakaran bakar penting dalam penentuan efisiensi termal keseluruhan dan oleh karena itu adalah faktor saat menghitung transfer kalor dalam proses. Tidak efektif untuk mencoba memaksimalkan transfer kalor dalam sistem yang secara inheren memiliki panas yang tersedia rendah. Panas yang tersedia didefinisikan sebagai nilai pemanasan kotor bahan bakar, dikurangi energi yang dibawa keluar dari proses pembakaran oleh gas buang panas.
Panas yang tersedia kotor (GAH) dalam bakar diberikan oleh persamaan GAH = nilai kalorik bahan bakar + kalor indas reaktan – panas yang dibawa oleh POC yang meninggalkan bakar. GAH mewakili panas yang tersedia pada suhu proses kritis. Ini tidak mewakili panas yang tersedia untuk melakukan fungsi tertentu karena berbagai jenis kerugian. Ini dapat digunakan sebagai kriteria untuk membandingkan sistem pembakaran bahan bakar yang berbeda.
Selanjutnya, dalam bakar, ada kerugian panas yang ditentukan oleh suhu proses kritis, ketekalan lapisan refraktori, dan konduktivitas termal refraktori. Oleh karena itu, panas yang tersedia bersih (NAH) dalam bakar diberikan oleh persamaan NAH = GAH − kerugian panas. NAH dapat digunakan sebagai kriteria untuk membandingkan efisiensi peleburan/meleleh/pemanasan berbagai bakar.
Panas yang hilang dari proses melalui pembukaan dalam bakar, melalui dinding bakar, atau oleh infiltrasi udara tidak dipertimbangkan dalam perhitungan panas yang tersedia teoretis karena ini bergantung pada proses. Panas yang tersedia teoretis harus proporsional terhadap jumlah energi yang sebenarnya diserap oleh muatan bahan bakar dalam proses aktual, yang secara langsung terkait dengan efisiensi termal sistem. Oleh karena itu, panas yang tersedia teoretis umumnya digunakan untuk menunjukkan tren efisiensi termal sebagai fungsi suhu gas buang, komposisi pengoksidasi dan bahan bakar, rasio pencampuran, dan suhu pra-pemanasan udara dan bahan bakar.
Panas yang tersedia bervariasi sebagai fungsi suhu gas buang dan menurun dengan cepat dengan suhu gas buang dan relatif independen dari komposisi bahan bakar. Oleh karena itu, untuk memaksimalkan efisiensi termal proses, diinginkan untuk meminimalkan suhu gas buang. Ini biasanya dilakukan dengan memaksimalkan transfer kalor dari gas buang ke muatan bahan bakar (dan dinding bakar) dan dengan memulihkan beberapa panas dalam gas buang dengan memanaskan pengoksidasi dan/atau bahan bakar.
Seiring bertambahnya suhu gas buang, lebih banyak energi dibawa keluar dari sistem pembakaran dan lebih sedikit tinggal dalam sistem. Panas yang tersedia menurun hingga nol pada suhu nyala api ekuilibrium adiabatik di mana tidak ada panas yang hilang dari gas. Panas yang tersedia dari sistem pembakaran CH4/O2 bahkan pada suhu gas buang sekitar 2000 derajat C, panas yang tersedia masih 57 %. Juga, biasanya tidak sangat ekonomis untuk menggunakan sistem CH4/udara untuk proses pemanasan dan peleburan suhu tinggi. Pada suhu buang sekitar 1300 derajat C, panas yang tersedia untuk sistem CH4/udara hanya sedikit lebih dari 30 %. Pemulihan panas dalam bentuk udara yang dipanaskan umumnya digunakan untuk proses pemanasan suhu tinggi untuk meningkatkan efisiensi termal bakar.
Seiring bertambahnya suhu gas buang, panas yang tersedia menurun karena lebih banyak energi dibawa bersama gas buang. Ada kenaikan awal yang cepat dalam panas yang tersedia seiring bertambahnya konsentrasi O2 dalam pengoksidasi dari 21 % yang terdapat dalam udara. Ini salah satu alasan mengapa pengayaan O2 telah menjadi teknik populer karena kenaikan efisiensi yang bertahap sangat signifikan. Efisiensi termal sistem CH4/udara dua kali lipat ketika udara dipanaskan pra hingga sekitar 1100 derajat C.
Untuk sistem CH4/O2, kenaikan efisiensi jauh kurang dramatis dengan pra-pemanasan O2. Ini karena efisiensi awal tanpa pra-pemanasan sudah 70 % dan karena massa O2 tidak seberarti massa udara dalam reaksi pembakaran dibandingkan dengan sistem bahan bakar/udara. Ada juga kekhawatiran keselamatan saat mengalir O2 panas melalui pipa, peralatan pemulihan panas, dan pembakar. Penghematan bahan bakar untuk teknologi tertentu dapat dihitung menggunakan kurva panas yang tersedia.
Volume Gas Buang dan Sifat Transport
Volume gas buang – Laju aliran gas melalui kamera pembakaran bakar proporsional terhadap transfer kalor konvektif ke muatan bahan bakar. Ada beberapa faktor yang mempengaruhi laju aliran ini. Satu di antaranya adalah suhu gas karena gas dengan suhu lebih tinggi memiliki laju aliran aktual yang lebih tinggi (meter kubik per jam) karena ekspansi termal gas. Ini berarti pra-pemanasan bahan bakar atau pengoksidasi, yang keduanya biasanya meningkatkan suhu nyala api, menghasilkan laju aliran aktual yang lebih tinggi. Namun, laju aliran gas sama ketika dikoreksi ke kondisi suhu dan tekanan standar (STP).
Faktor lain yang memiliki pengaruh sangat kuat terhadap laju aliran gas melalui sistem pembakaran adalah komposisi pengoksidasi. Pembakaran ditingkatkan O2 pada dasarnya melibatkan penghapusan N2 dari pengoksidasi. Perubahan besar dibandingkan pembakaran bahan bakar/udara adalah pengurangan volume gas buang. Ini berarti untuk setiap volume satuan bahan bakar, 3 volume gas yang dinormalisasi dihasilkan untuk pembakaran O2/bahan bakar dibandingkan 10.5 volume untuk pembakaran bahan bakar/udara. Pengurangan ini dapat memiliki efek positif dan negatif, tetapi efek pada transfer kalor konvektif adalah pengurangan kecepatan rata-rata gas melalui kamera bakar dan pengurangan yang dihasilkan dalam transfer kalor konveksi ke muatan bahan bakar.
Sifat transport gas buang
Sifat transport komponen gas dalam kamera pembakaran penting untuk menentukan transfer kalor dan dinamika fluida. Sifat-sifat ini sangat bergantung pada suhu dan komponen gas. Sifat gas penting untuk transfer kalor dalam kamera pembakaran bakar industri bervariasi sebagai fungsi komposisi bahan bakar dan pengoksidasi, rasio pencampuran, dan suhu pra-pemanasan udara. Variasi properti sebagai fungsi suhu pra-pemanasan bahan bakar memiliki efek minimal. Komposisi dan suhu gas diperlukan untuk menghitung radiasi gas tidak luminescens. Sifat transport gas diperlukan untuk menghitung koefisien transfer kalor konveksi, yang sering diberikan dalam bentuk angka Nusselt (Nu). Nu dihitung dari angka Prandtl (Pr) dan angka Reynolds (Re). Koefisien transfer kalor konveksi 'h' kemudian dihitung dari angka Nusselt menggunakan Nu = hd/k di mana d adalah dimensi karakteristik untuk sistem aliran dan k adalah konduktivitas termal fluida. Sifat gas diperlukan untuk menghitung angka Nu, Pr, dan Re yang diberikan di bawah ini.
Kepadatan – Kepadatan gas dapat digunakan untuk menghitung angka Re, yang umumnya diperlukan untuk menghitung koefisien transfer kalor konvektif. Kepadatan juga digunakan untuk menghitung kecepatan rata-rata gas melalui kamera bakar, yang juga biasanya diperlukan untuk menghitung koefisien konveksi. Kepadatan gas berbanding terbalik dengan suhu gas sehingga seiring bertambahnya suhu, kepadatan menurun. Pengurangan kepadatan gas secara kasar proporsional dengan invers dari suhu gas mutlak. Juga, kepadatan gas menurun dengan cepat seiring bertambahnya kandungan O2 dalam pengoksidasi. Ini karena suhu nyala api yang meningkat. Kepadatan gas yang lebih rendah berarti angka Re yang lebih rendah dan oleh karena itu transfer kalor konvektif yang berkurang, jika semua variabel lain tetap sama. Namun, laju aliran massa gas juga menurun. Oleh karena itu, kecepatan rata-rata gas tidak terpengaruh secara signifikan sebagai akibat dari efek gabungan dari kepadatan yang lebih rendah dan laju aliran massa yang lebih rendah sehingga dampak pada konveksi karena kecepatan gas minimal.
Kepadatan gas mencapai minimum pada rasio ekuivalensi menengah. Ini lagi dapat dikaitkan dengan suhu nyala api ekuilibrium adiabatik. Selanjutnya, kepadatan gas menurun hampir linier seiring bertambahnya suhu pra-pemanasan udara, yang berkorelasi secara terbalik dengan kurva untuk suhu nyala api. Juga, kepadatan gas tidak menurun secara linier sebagai fungsi komposisi campuran gas, seperti yang biasanya diinstingnya diharapkan. Lagi, kepadatan berkorespondensi secara terbalik dengan suhu nyala api adiabatik.
Kalor jenis – Kalor jenis gas, terkadang disebut kapasitas kalor gas, adalah properti transport lainnya yang memiliki dampak pada transfer kalor konvektif dalam sistem bakar. Ini digunakan untuk menghitung angka Pr, yang sering digunakan untuk menghitung koefisien transfer kalor konvektif. Ada kenaikan non-linier dalam kalor jenis gas terhadap suhu produk pembakaran. Kalor jenis meningkat lebih cepat pada suhu yang lebih tinggi. Selanjutnya, kalor jenis gas buang meningkat hampir linier seiring bertambahnya persentase O2 dalam pengoksidasi. Semua hal lain sama, ini meningkatkan transfer kalor konvektif dari gas produk pembakaran ke muatan bahan bakar.
Namun, ada hubungan yang jauh lebih rumit antara kalor jenis dan rasio ekuivalensi, termasuk ketergantungan bahan bakar yang kuat juga. Semua bahan bakar menunjukkan kenaikan awal dalam kalor jenis seiring bertambahnya rasio ekuivalensi, mencapai maksimum lokal pada kondisi stoikiometri. Melebihi kondisi stoikiometri, kalor jenis kemudian menurun, meluas, dan meningkat lagi. Dalam kasus CH4, kalor jenis meningkat sangat cepat pada nilai rasio ekuivalensi yang tinggi. Meskipun hubungan antara kalor jenis dan rasio ekuivalensi cukup rumit, kenyataannya adalah sebagian besar proses pembakaran industri dioperasikan pada kondisi kurangi bahan bakar sedikit di mana ada hubungan yang kuat tetapi lebih linier antara rasio ekuivalensi dan kalor jenis. Dalam kasus campuran bahan bakar H2/CH4, kalor jenis meningkat dengan cepat pada kandungan H2 yang tinggi dalam campuran bahan bakar. Suhu nyala api menunjukkan hubungan yang sangat mirip dengan kandungan H2 dalam campuran.
Konduktivitas termal – Seperti kalor jenis, konduktivitas termal gas mempengaruhi angka Pr, yang pada gilirannya mempengaruhi koefisien transfer kalor konveksi. Dalam kasus ini, ada hubungan terbalik antara konduktivitas termal dan angka Pr. Seiring bertambahnya (menurunnya) konduktivitas termal, angka Pr menurun (membesar) bersama dengan koefisien konveksi, dengan asumsi semua variabel lain tetap konstan. Konduktivitas termal gas bergantung secara kasar pada akar kuadrat dari suhu mutlak. Kenaikan non-linier yang mirip dalam konduktivitas termal terjadi dengan suhu gas seperti untuk kalor jenis.
Selanjutnya, konduktivitas termal meningkat dengan cepat seiring bertambahnya kandungan O2 dalam pengoksidasi. Hubungan hampir linier meskipun ada kenaikan yang lebih cepat pada kandungan O2 yang lebih rendah dibandingkan dengan kandungan O2 yang lebih tinggi dalam pengoksidasi. Namun, ada hubungan yang rumit antara properti transport dan rasio ekuivalensi. Ada maksimum lokal pada kondisi stoikiometri. Untuk H2, maksimum lokal juga adalah maksimum keseluruhan untuk rentang luas rasio ekuivalensi. Untuk CH4, ada kenaikan cepat dalam konduktivitas termal pada kondisi kaya bahan bakar sangat (rasio ekuivalensi tinggi), dengan konduktivitas yang melebihi nilai maksimum lokal pada kondisi stoikiometri. Meskipun tidak se-dramatis, ada fenomena yang serupa untuk C3H8. Meskipun sebagian besar proses industri dijalankan pada kondisi kurangi bahan bakar sedikit, masih ada perubahan cepat dalam konduktivitas termal di sisi kurangi bahan bakar dari kondisi stoikiometri.
Hubungan yang jauh lebih sederhana ada antara konduktivitas dan suhu pra-pemanasan udara pembakaran. Konduktivitas meningkat sedikit lebih cepat dari linier seiring bertambahnya suhu pra-pemanasan. Juga, konduktivitas termal meningkat jauh lebih cepat seiring bertambahnya kandungan H2 dalam campuran bahan bakar H2/CH4.
Viskositas – Viskositas absolut atau dinamis adalah ukuran difusi momentum. Viskositas gas memiliki hubungan yang mirip dengan konduktivitas termal. Viskositas penting dalam menghitung angka Pr dan Re, tetapi dengan cara yang berlawanan. Seiring bertambahnya (menurunnya) viskositas gas, angka Pr membesar (menurun) dan angka Re menurun (membesar) dengan asumsi semua variabel lain konstan. Viskositas kinematik berkaitan dengan viskositas dinamis.
Ada kenaikan hampir linier dalam viskositas gas dengan suhu produk pembakaran. Viskositas gas meningkat seiring bertambahnya kandungan O2 dalam pengoksidasi, mirip dengan suhu nyala api adiabatik. Viskositas gas mencapai puncak pada rasio ekuivalensi 1.0 (kondisi stoikiometri) dan menurun ketika campuran menjadi lebih kaya bahan bakar atau lebih kurangi bahan bakar. Viskositas gas juga meningkat dengan suhu pra-pemanasan udara, dapat dibandingkan dengan suhu nyala api. Viskositas meningkat seiring bertambahnya kandungan H2 dalam campuran bahan bakar H2/CH4. Kenaikan viskositas lebih cepat pada kandungan H2 yang lebih tinggi.
Angka Pr – Angka Pr sering digunakan untuk menghitung koefisien transfer kalor konveksi. Komponen Pr meliputi kalor jenis, viskositas, dan konduktivitas termal. Kombinasi variabel ini yang membentuk angka Pr berubah sebagai fungsi komposisi bahan bakar dan pengoksidasi, rasio pencampuran, dan suhu pra-pemanasan udara. Namun, hanya sedikit perubahan dalam angka Pr sebagai fungsi suhu pra-pemanasan bahan bakar. Angka Pr menurun sebagai fungsi suhu, tetapi dengan cara yang tidak seragam. Awalnya, menurun dengan cukup cepat, kemudian menurun lebih lambat, dan akhirnya menurun dengan cepat pada suhu yang lebih tinggi.
Ada juga hubungan yang sangat non-linier antara angka Pr dan komposisi pengoksidasi. Untuk CH4 dan C3H8, angka Pr menurun dengan cepat pada awalnya dan kemudian meluas pada kandungan O2 yang lebih tinggi. Untuk H2, angka Pr sebenarnya memiliki minimum pada sekitar 50 % kandungan O2. Juga, ada hubungan yang sangat non-linier antara angka Pr dan rasio ekuivalensi. Sebagian besar bahan bakar menunjukkan maksimum dan minimum lokal. Angka Pr juga menurun hampir linier dengan suhu pra-pemanasan udara. Angka Pr menurun seiring berkurangnya kandungan H2 dalam campuran bahan bakar H2/CH4, dan menurun dengan cepat pada kandungan H2 yang tinggi.
Angka Lewis – Angka Lewis (Le) adalah rasio difusivitas termal terhadap difusivitas molekular (massa). Angka Le penting untuk transfer kalor dalam sistem pembakaran. Secara umum, untuk nilai Le lebih besar dari 1, ada beberapa peningkatan dalam transfer kalor konvektif karena reaksi rekombinasi kimia. Angka Le adalah 1 untuk suhu di bawah 1200 derajat C, tergantung pada bahan bakar, dan kemudian meningkat cukup cepat pada suhu yang lebih tinggi. Angka Le lebih besar dari satu untuk semua komposisi pengoksidasi dalam kondisi ekuilibrium adiabatik, yang setara dengan suhu nyala api tertinggi yang mungkin untuk kondisi tersebut. Nilai angka Le mencapai puncak pada komposisi pengoksidasi menengah dan menurun pada kandungan O2 yang lebih tinggi. Ada puncak dramatis dalam angka Le pada kondisi stoikiometri, dengan angka Le di bawah 1.0 pada rasio ekuivalensi yang lebih tinggi. Angka Le meningkat hampir linier dengan suhu pra-pemanasan udara untuk kondisi ekuilibrium adiabatik. Ini meningkat lebih cepat seiring bertambahnya kandungan H2 dalam campuran bahan bakar H2/CH4.
Transfer Kalor dalam Bakar
Faktor-faktor yang mempengaruhi transfer kalor dalam bakar ke muatan bahan dijelaskan di bawah ini.
Aliran Kalor dalam Muatan Bahan
Aliran kalor dalam muatan bahan – Dalam kasus muatan bahan yang dipanaskan listrik di mana muatan digunakan sebagai resistansi dalam rangkaian atau dengan pemanasan induksi, garis fluks berkonsentrasi tepat di dalam permukaan. Dalam proses pemanasan dengan bahan bakar, panas memasuki muatan melalui permukaannya (dengan radiasi atau konveksi) dan menyebar di seluruh muatan dengan konduksi. Aliran kalor ini membutuhkan perbedaan suhu dalam muatan. Aliran kalor stabil melalui muatan bahan datar. Untuk muatan selain datar, garis fluks panas jarang paralel dan jarang stabil. Dalam aliran kalor transient, penentuan suhu pada waktu dan titik tertentu dalam muatan memerlukan penggunaan metode elemen hingga. Peningkatan suhu bakar ('kepala termal' tinggi) atau 'pemanasan berkecepatan tinggi' sering menghasilkan pemanasan yang tidak merata, yang memerlukan waktu tenggelam lebih lama, kadang-kadang mengalahkan tujuan pemanasan berkecepatan tinggi.
Konduktivitas Termal dan Difusi
Konduktivitas termal dan difusi – Secara normal terdapat variasi yang luas dalam konduktivitas termal berbagai logam, yang memiliki dampak langsung pada kemampuan panas untuk mengalir melalui atau menyebar di seluruhnya, dan oleh karena itu memiliki efek yang sangat kuat pada distribusi suhu atau keseragaman dalam padatan. Faktor yang mempengaruhi distribusi suhu adalah difusivitas termal. Ini adalah konduktivitas termal dibagi dengan kalor jenis volume material padat dan direpresentasikan oleh persamaan difusivitas termal = konduktivitas termal / (kalor jenis x kepadatan). Dalam persamaan ini, pembilang adalah ukuran laju aliran panas ke dalam volume satuan material sementara penyebut adalah ukuran jumlah panas yang diserap oleh volume satuan itu. Dengan rasio pembilang terhadap penyebut yang lebih tinggi, panas terkonduksi ke dalam, didistribusikan melalui, dan diserap.
Konduktivitas dan difusivitas termal padatan bervariasi sangat dengan suhu. Kalor jenis dan kepadatan bervariasi sedikit, kecuali untuk baja pada titik transisi fasa mereka. Konduktivitas termal logam murni padat menurun seiring bertambahnya suhu, tetapi konduktivitas logam padat umumnya meningkat dengan suhu.
Waktu Keterlambatan
Waktu keterlambatan – Efek konduktivitas termal terhadap aliran kalor dan distribusi suhu internal ditunjukkan dalam Gambar 1 untuk tiga slab paduan besi berukuran sama yang dipanaskan dari dua sisi. Suhu permukaan dalam ketiga kasus umumnya meningkat sangat cepat, tetapi suhu interior meningkat secara berbeda karena difusivitas yang lebih buruk. Slab membutuhkan waktu berbeda untuk mencapai kondisi ekuilibrium dengan suhu bakar.
Gambar 1 Efek konduktivitas termal terhadap aliran kalor dan distribusi suhu internal
Material padat yang dipanaskan dalam bakar industri tidak harus kontinu. Banyak kali, muatan terdiri dari strip gulungan atau potongan terpisah yang ditumpuk pada kedalaman berbeda atau berdampingan erat. Dalam kasus tersebut, panas hanya dapat mengalir dari satu potongan ke potongan yang berdekatan melalui titik kontak kecil pada permukaannya, atau melalui ruang yang diisi gas, konduktivitas termalnya sangat kecil. Tumpukan plat datar adalah contoh konduktansi yang sangat rendah. Celah yang sangat kecil mengandung resistansi termal yang lebih besar daripada logam padat. Tumpukan tidak dapat diperlakukan sebagai padat, karena ruang udara tipis adalah isolator. Celah udara yang berbeda dalam tumpukan menghasilkan ketidakteraturan suhu yang buruk.
Aliran kalor cepat dalam setiap potongan muatan yang ditumpuk hanya diperoleh dengan sirkulasi gas panas melalui material yang ditumpuk dengan konveksi dan radiasi gas. Massa gas ini harus diganti terus-menerus dengan gas panas baru karena mereka memiliki massa rendah, kalor jenis rendah, dan ketebalan gas beam tipis, sehingga mereka dingin dengan cepat tanpa menyampaikan banyak panas ke beban. Untuk pemanasan yang seragam dan reproduktibilitas yang presisi, tumpukan potongan material harus dihindari.
Transfer Kalor ke Permukaan Muatan Bahan
Transfer kalor ke permukaan muatan bahan – Dalam praktik bakar, panas ditransfer dengan tiga mode yaitu (i) konduksi, (ii) konveksi, dan (iii) radiasi. Ada beberapa esensi transfer kalor yang membantu desainer dan operator bakar industri. Hampir semua bakar industri, oven, tungku, insinerator, boiler, dan pemanas menggunakan pembakaran bahan bakar sebagai sumber panas mereka. Pembakaran, seperti yang digunakan dalam bakar industri, berasal dari kinetika reaksi kimia yang cepat dan besar dan ini mengarah pada konversi energi kimia menjadi energi indas (termal) pemanasan. Peningkatan luas permukaan pencampuran bahan bakar dan pengoksidasi (biasanya udara) atau peningkatan suhu reaktan dapat menyebabkan reaksi pembakaran yang lebih cepat, biasanya menghasilkan suhu sumber panas yang lebih tinggi. Reaksi oksidasi bahan bakar bersifat eksotermik, sehingga mereka dapat berkembang menjadi kondisi lari (misalnya energi termal yang dilepaskan lebih cepat daripada yang dapat dibawa oleh transfer kalor). Umpan balik positif ini dapat menyebabkan ledakan.
Nyala api adalah daerah tipis reaksi kimia eksotermik yang cepat. Contohnya adalah nyala api pemarang Bunsen. Dalam pemarang Bunsen, aliran laminar terpracampur sempurna dari gas bahan bakar dan udara dihidupkan oleh sumber panas eksternal, dan zona reaksi berbentuk kerucut (depan nyala) terbentuk. Turbulensi meningkatkan ketebalan dan luas permukaan zona reaksi, menghasilkan kecepatan pembakaran yang lebih tinggi. Kecepatan pembakaran laminar untuk gas alam sekitar 18 meter per menit (mpm) sementara kecepatan pembakaran turbulen dapat dua hingga sepuluh kali lebih cepat. Dalam nyala api laminar, ekspansi termal dari pelepasan panas kimia dapat digabungkan dengan reaktivitas yang meningkat karena suhu yang lebih tinggi, menghasilkan percepatan menjadi nyala api turbulen. Kecuali untuk nyala api luminescens panjang, hampir semua nyala api industri adalah turbulen.
Transfer Kalor Konduksi
Transfer kalor konduksi – Transfer kalor konduksi adalah transfer energi getar dari molekul ke molekul, biasanya dalam padat. Transfer kalor hanya dengan konduksi ke beban yang dimuat langka dalam bakar industri. Ini terjadi ketika logam dingin diletakkan pada hearth panas. Ini juga terjadi, untuk waktu singkat, ketika potongan logam diendapkan dalam garam cair atau mandi logam cair.
Jika dua potongan material padat dalam kontak menyeluruh (tidak dipisahkan oleh lapisan skala, udara, atau fluida lainnya), permukaan kontak segera asumsi suhu yang sama di antara suhu badan yang berkontak. Gradien suhu dalam material yang berkontak berbanding terbalik dengan konduktivitas mereka (Gambar 2).
Gambar 2 Efek konduktivitas dan waktu terhadap gradien suhu dalam dua padat dengan suhu dan konduktivitas yang berbeda, dalam kontak erat satu sama lain
Fluks kalor (laju aliran panas per satuan luas) tidak hanya bergantung pada suhu dua padat tetapi juga pada difusivitas dan konfigurasi padat yang berkontak. Dalam praktik, relatif sedikit panas yang ditransfer ke (atau diekstrak dari) muatan dengan konduksi, kecuali dalam aliran panas dari billet ke pelan dingin air.
Ketika potongan logam dingin tiba-tiba diendapkan dalam garam cair, seng, seng, atau logam cair lainnya, cairan membeku pada permukaan logam dingin, dan panas ditransfer hanya dengan konduksi. Setelah waktu sangat singkat, jaket padat, atau lapisan beku, mencair kembali. Dari saat itu onwards, panas ditransfer dengan konduksi dan konveksi.
Transfer Kalor Konveksi
Transfer kalor konveksi adalah kombinasi konduksi dan gerakan fluida, secara fisik membawa molekul yang dipanaskan (atau didinginkan) ke permukaan lain. Jika aliran fluida gas mengalir sejajar dengan permukaan padat, molekul getar dari aliran mentransfer beberapa energi termal ke atau dari permukaan padat.
'Lapisan batas' dari fluida stagnan, viskosit, yang kurang mengkonduksi cenderung menempel pada permukaan padat dan bertindak sebagai selimut isolasi, mengurangi aliran panas. Panas ditransfer melalui lapisan stagnan dengan konduksi. Jika kecepatan aliran fluida utama ditingkatkan, ia menggosok lapisan batas isolasi menjadi lebih tipis, meningkatkan laju transfer kalor konveksi. Konduktansi lapisan batas (koefisien film) adalah fungsi dari kecepatan massa (momentum, angka Re).
Dalam bakar yang beroperasi di bawah 600 derajat C, transfer kalor dengan konveksi sangat penting karena radiasi lemah di sana. Pembakar kecepatan tinggi (momentum tinggi) modern memberikan koefisien transfer kalor konveksi yang tinggi. Kecepatan tinggi sering memberikan distribusi suhu yang lebih seragam di sekitar beban tunggal, atau di antara beberapa beban, karena lebih banyak aliran massa membawa energi indas tambahan pada suhu yang lebih moderat. Pada suhu bakar rendah, laju total transfer kalor yang tinggi hanya dapat diperoleh dengan kecepatan gas tinggi karena transfer kalor dengan radiasi pada sekitar 550 derajat C kurang dari sepuluh dari apa yang ada pada sekitar 1200 derajat C. Pembakar kecepatan tinggi (momentum tinggi) banyak digunakan untuk mengisi tempat radiasi tidak dapat mencapai karena masalah bayangan.
Transfer Kalor Radiasi
Radiasi antara padat – Panas dipancarkan oleh padat bahkan pada suhu rendah. Fluks radiasi bersih sebenarnya yang ditransfer ke penerima adalah selisih antara radiasi yang diterima dari sumber dan radiasi yang dipancarkan kembali dari penerima ke sumber. Fluks radiasi bersih antara badan panas (sumber panas) dan badan lebih dingin (penerima panas) dapat dihitung dengan persamaan Stefan-Boltzmann.
Emisi dan absorptivitas material adalah properti penting untuk radiasi antara padat. Emisi adalah radiasi panas yang dipancarkan (dipancarkan) oleh permukaan, dinyatakan sebagai desimal dari emisi panas tertinggi yang mungkin (hitam sempurna) dalam waktu satuan dan dari luas satuan. Emittansi adalah emisi yang terlihat dari material yang sama untuk luas permukaan yang terlihat yang sebenarnya jauh lebih besar, karena kekasaran, ranuran, dan sebagainya. Absorptivitas adalah radiasi panas yang diserap oleh permukaan per waktu satuan dan luas satuan, dinyatakan sebagai desimal dari penyerapan panas tertinggi yang mungkin (hitam sempurna).
Insinyur menggunakan nilai emisi 0,85 dalam bakar konvensional yang dilapisi refraktori. Namun, suhu, kondisi permukaan, dan paduan dapat membuat perbedaan yang signifikan. Sebagai contoh, jika strip stainless steel dipanaskan dalam kurang dari tiga menit dalam bakar catenary, emisi mungkin tidak berubah meskipun suhu meningkat dari suhu ruang hingga 1100 derajat C. Dengan mengukur suhu permukaan strip dan suhu bakar, telah mungkin untuk merevisi perhitungan kurva pemanasan, dengan asumsi oksidasi tidak mengubah emisi atau absorptivitas selama siklus pemanasan.
Radiasi dari Nyala Api Jernih dan Gas
Radiasi dari nyala api jernih dan gas – Ada dua asal radiasi dari produk pembakaran ke padat. Dua asal radiasi adalah (i) dari nyala api jernih dan dari gas, dan (ii) dari partikel arang berukuran mikron dalam nyala api luminescens. Radiasi dari gas jernih tidak mengikuti hukum kuat keempat Stefan-Boltzmann. Gas jernih tunggal yang memancarkan atau menyerap radiasi secara signifikan adalah yang memiliki tiga atau lebih atom per molekul (gas triatomik) seperti CO2, H2O, dan SO2 (dioksida sulfat). Pengecualian adalah CO diatomik, yang menghasilkan kurang radiasi. Gas diatomik lainnya, seperti O2, N2 (dan campurannya, udara), dan H2 hanya memiliki daya radiasi yang dapat diabaikan.
Radiasi gas tidak mengikuti hukum kuat keempat karena gas tidak memancarkan pada semua panjang gelombang, seperti padat (badabu abu-abu). Setiap gas hanya memancarkan pada beberapa sekang sempit. Radiasi dari gas jernih bergantung pada suhu mereka, pada tekanan parsial atau persentase volume setiap gas triatomik yang ada, dan pada ketebalan lapisan gas mereka.
Suhu gas yang memancarkan menurun dalam arah perjalanan gas. Untuk mempertahankan radiasi gas yang aktif, gas harus diganti terus-menerus dengan gas panas baru, yang juga meningkatkan konveksi. Kecepatan pakan gas yang lebih tinggi mengurangi penurunan suhu sepanjang jalur gas. Faktor ini sangat krusial dalam mempertahankan keseragaman suhu yang baik dalam bakar industri suhu tinggi.
Bakar sering dirancang berdasarkan radiasi refraktori yang memanaskan muatan, dengan hasil yang biasanya wajar, tetapi beberapa situasi tidak dapat dijelaskan hanya oleh radiasi refraktori. Radiasi langsung dari gas bakar umumnya menyampaikan 62 % (+/- 2 %) panas ke muatan, dan refraktori mentransfer sisa 38 % (+/- 2 %). Suhu gas yang diperlukan untuk mentransfer panas ke refraktori dan muatan umumnya jauh lebih tinggi dari yang biasanya diasumsikan.
Radiasi dari Nyala Api Luminescens
Radiasi dari nyala api luminescens – Jika bagian kaya bahan bakar dari campuran udara/bahan bakar dipanaskan, misalnya dari bagian yang lebih panas dari nyala api, molekul bahan bakar yang tidak terbakar polimerisasi atau mengalami retakan termal, menghasilkan pembentukan beberapa molekul padat berat. Partikel arang ini bersinar ketika panas, memberikan luminescens, yang meningkatkan kemampuan radiasi total nyala api.
Jika bahan bakar dan udara tidak dicampur secara menyeluruh segera setelah mereka meninggalkan nozel pembakar, mereka dapat dipanaskan pada suhu di mana hidrokarbon retak (polimerisasi). Pemanasan lebih lanjut membawa partikel yang dihasilkan ke suhu bersinar. Saat O2 mencampur dengan mereka, mereka terbakar. Saat nyala api berlanjut, pembentukan partikel arang baru dapat setara dengan laju pembakaran partikel yang sebelumnya terbentuk. Lebih jauh sepanjang panjang nyala api, produksi arang menurun, dan semua arang yang tersisa dibakar. Seri proses pembakaran campuran tertunda ini harus diselesaikan sebelum gas pembakaran melewati ke saluran buang. Jika nyala api masih luminescens di entri saluran buang, asap dapat muncul di keluar tiap buang. Asap adalah arang yang telah didinginkan (dilemukan, dilemukan) di bawah suhu ignisi minimumnya sebelum dicampur dengan udara yang memadai.
Kemampuan radiasi tambahan dari nyala api luminescens menyebabkan mereka secara alami mendinginkan diri mereka sendiri lebih cepat dari nyala api jernih. Ini melakukan tujuannya—menyampaikan panas. Fenomena pendinginan dapat mengurangi beberapa keuntungan dari luminescens yang lebih tinggi (emisi efektif).
Nyala api luminescens sering dipilih karena panjang tambahan dari nyala api luminescens campuran tertunda dapat menghasilkan distribusi suhu yang lebih merata di seluruh kamera pembakaran besar. Saat bakar industri disuplai dengan pra-pemanasan udara pembakaran yang sangat tinggi atau pembakaran oxy-fuel lebih banyak, nyala api luminescens dapat memungkinkan peningkatan laju pelepasan panas.
Bahan bakar dengan rasio C/H2 tinggi (minyak dan bahan bakar padat sebagian besar) lebih cenderung terbakar dengan nyala api luminescens. Bahan bakar dengan rasio C/H2 rendah (bahan bakar gas sebagian besar) dapat dibuat untuk terbakar dengan nyala api luminescens yaitu (i) dengan campuran tertunda, menginjeksi aliran udara dan gas dengan kecepatan rendah yang sama berdampingan, dan (ii) dengan menggunakan tekanan tinggi untuk 'menembakkan' inti bahan bakar berkecepatan tinggi melalui udara yang bergerak lebih lambat sehingga sebagian besar udara tidak dapat 'mengejar' bahan bakar hingga setelah bahan bakar dipanaskan (dan polimer) oleh antarmuka lapisan 'selubung' tipis antara dua aliran.
Nyala api dari bahan bakar padat dapat mengandung partikel abu, yang dapat bersinar, menambahkan luminescens nyala api. Dengan bahan bakar cair dan gas, luminescens nyala api biasanya berasal dari partikel C dan arang yang bersinar. Emisi nyala api efektif, seperti yang diukur biasanya berada di antara POC gas dan nilai maksimum 0,95, tergantung pada luas permukaan total partikel padat. Biasanya, transfer kalor dari nyala api luminescens lebih besar dari nyala api jernih yang memiliki suhu yang sama. Perbedaan dalam laju transfer kalor cukup terlihat dalam bakar untuk memanaskan kembali baja dan logam. Perbedaan menjadi lebih jelas pada suhu tinggi, di mana daya radiasi setiap molekul gas triatomik meningkat, tetapi keuntungan sebagian dibatalkan oleh penurunan kepadatan molekul yang memancarkan per volume satuan.
Dalam fenomena lain, sekang radiasi gas mempertahankan panjang gelombang mereka terlepas dari suhu. Pada suhu yang lebih tinggi, however, daerah intensitas tinggi radiasi padat (arang dan partikel C yang bersinar) bergerak menuju panjang gelombang yang lebih pendek (jauh dari sekang gas). Dalam ranah suhu yang lebih tinggi, radiasi dari gas jernih tidak meningkat secepat radiasi dari nyala api luminescens.
Radiasi nyala api adalah fungsi dari banyak variabel seperti rasio C/H2 bahan bakar, rasio udara/bahan bakar, suhu udara dan bahan bakar, pencampuran dan atomisasi bahan bakar, dan ketebalan nyala api. Beberapa di antaranya dapat berubah dengan jarak dari pembakar. Bahan bakar dengan rasio C/H2 lebih tinggi, seperti minyak, cenderung membuat lebih banyak arang, sehingga mereka biasanya menciptakan nyala api luminescens, meskipun nyala api biru mungkin dengan minyak ringan. Banyak gas memiliki rasio C/H2 rendah, dan cenderung terbakar jernih atau biru. Sulit untuk membakar terpa tanpa luminescens. Sulit sama untuk menghasilkan nyala api yang terlihat dengan gas tungku timur (BF) atau dengan H2.
Saat membandingkan nyala api luminescens dan tidak luminescens, penting untuk ingat (i) radiasi arang (luminescens) biasanya berakhir di mana nyala api yang terlihat berakhir karena arang paling sering dibakar di permukaan atau kulit nyala api, di mana bertemu dengan udara sekunder atau tersier, dan (ii) radiasi gas (tidak luminescens) terjadi dari dalam dan luar amplop nyala api yang terlihat, sangat meningkatkan keseragaman dan luas cakupannya, meskipun radiasi gas dalam nyala api sedikit dibayangi oleh partikel arang atau gas triatomik yang di sekitarnya, dan radiasi gas di luar nyala api dapat berasal dari gas yang lebih dingin.
Efek bahan bakar berlebih pada radiasi nyala api jauh lebih besar dari efek udara berlebih yang lebih sedikit. Kelebihan dan kekurangan nyala api jernih versus nyala api luminescens panjang telah dibahas selama bertahun-tahun. Pembakar yang dimodifikasi dan skema kontrol membantu untuk memanfaatkan yang terbaik dari keduanya. Masalah yang sama untuk beberapa tipe pembakar adalah perubahan karakteristik nyala api saat input pembakar diturunkan. Masalah dengan beberapa pembakar nyala api jernih adalah (i) pergeseran hump dalam profil suhu lebih dekat ke dinding pembakar saat laju penurunan dikurangi, dan (ii) pada tingkat input yang lebih rendah, suhu menurun lebih tajam pada jarak yang lebih jauh dari dinding pembakar (misalnya, profil suhu pembakar yang beroperasi pada 50 % kapasitas rated atau di bawah berada pada suhu puncaknya (pelepasan panas maksimum di atau dekat dinding pembakar, menurun lebih jauh dari dinding pembakar). Pada laju penurunan yang lebih rendah, penurunan suhu semakin buruk. Pada laju penurunan yang lebih tinggi, suhu dinding pembakar menurun seiring bergeraknya suhu puncak menjauh darinya. Dalam beberapa bakar pemanas kembali baja pada laju penurunan maksimum, perbedaan suhu antara dinding pembakar dan puncak dapat mencapai 150 derajat C.
Masalah puncak suhu di dinding jauh selama api nyala tinggi diperparahi oleh dorongan gas bakar ke dasar nyala api, menunda pencampuran bahan bakar dengan O2. Jika laju penurunan pembakar ditingkatkan, dorongan produk pembakaran lengkap meningkat secara eksponensial. Masalah yang dihasilkan banyak. Saat memanaskan samping bakar pada laju penurunan rendah, suhu puncak berada di dinding pembakar, tetapi pada laju penurunan maksimum, suhu puncak dapat berada di pusat bakar atau dinding berseberangan. Jadi, lokasi satu sensor kontrol suhu tidak pernah benar. Jika sensor suhu berada di dinding pembakar, laju penurunan rendah memiliki suhu puncak yang menempel pada dinding bakar dan mendorong pembakar ke api rendah sehingga sisa lebar bakar menerima input yang tidak memadai. Pada laju penurunan tinggi, sensor di dinding pembakar dingin sementara suhu jauh dari dinding pembakar sangat tinggi, mungkin membentuk skala cair pada permukaan potongan muatan di pusat dan/atau dinding jauh. Untuk mengatasi masalah ini, operator yang kurang berpengalaman dapat menurunkan titik set, mengurangi kapasitas pemanasan bakar.
Contoh lain dari efek masalah ini terjadi pada zona bawah bakar pemanas kembali baja saat difire secara berurutan berlawanan dengan gerakan beban, dan dengan sensor kontrol terpasang 3 meter (m) hingga 6 m dari (dinding pembakar end-fired). Pada laju penurunan rendah, dengan suhu zona diatur pada 1300 derajat C, dinding pembakar dapat naik lebih dari 1370 derajat C. Pada suhu tersebut, skala meleleh dan menetes ke lantai zona bawah tempat ia dapat kemudian membeku sebagai satu potongan besar. Pada laju penurunan tinggi, suhu puncak dapat bergerak melewati sensor T zona bawah, mungkin meleleh skala beberapa jarak menuju ujung beban bakar. Lagi, untuk menghindari masalah, operator dapat menurunkan pengaturan kontrol suhu, mengurangi kapasitas bakar.
Kontrol masalah-masalah di atas membutuhkan sensor suhu tambahan di setiap zona dan cara untuk mengubah karakteristik laju pencampuran pembakar sebagai respons terhadap pengukuran suhu. Pembakar dengan spin yang dapat disesuaikan (swirl) dapat diatur untuk mencegah sebagian besar masalah, terutama jika digabungkan dengan aliran udara atau gas forward-flow rendah melalui tengah pembakar. Aliran seperti ini biasanya diukur untuk 5 % aliran gas atau udara maksimum.
Nyala api panjang, luminescens, baik tipe laminar atau turbulen, cenderung memiliki hump suhu yang jauh lebih kecil dan tidak berubah panjang secepat saat input dikurangi. Mereka dapat menjadi 'pengasah' yang besar, memberikan keseragaman suhu yang lebih baik.
Informasi tentang radiasi arang dalam nyala api dan radiasi gas triatomik telah dikenal selama beberapa waktu, tetapi perkembangan terbaru mungkin sedang mengubah gambarnya. Penggunaan oxy-fuel (100 % O2), keduanya meningkatkan turndown nyala api. Keuntungan utama dari pembakaran oxy-fuel adalah dari transfer kalor radiasi yang lebih intens karena konsentrasi gas triatomik yang lebih tinggi, karena eliminasi N2 dari POC. Ini juga mengurangi massa gas yang membawa panas keluar melalui tiap buang (mengurangi kerugian tiap buang). Dalam perkembangan lain, beberapa nyala api gas campuran lean yang dirancang untuk emisi NOx rendah menciptakan bidang nyala api yang everywhere (sepanjang kamera).
