Brandstofverbranding en Warmteoverdracht in Ovens: Energie-efficiëntie Optimaliseren

Warmte is in een oven essentieel voor het verwarmen van de ovenlading (het te verwarmen materiaal) en soms voor chemische reacties. De drie bronnen van warmte-energie zijn: (i) verbranding van brandstoffen, (ii) elektrische energie, en (iii) chemische energie uit exotherme reacties. Behalve bij elektrothermische ovens wordt deze warmtebehoefte (exclusief chemische energie) grotendeels vervuld door verbranding van een brandstof. De brandstof kan gasvormig zijn (bijv. bijproductgassen zoals cokesovengas, hoogovengas en convertergas, aardgas, vloeibaar petroleumgas), vloeibaar (bijv. brandstofolie, teer) of vast (bijv. steenkool, cokes).

Verbrandingsprincipes

Alle brandstoffen bevatten potentieel energie. Bij verbranding wordt deze vrijgemaakt in de verbrandingsproducten. Verbranding is de gecontroleerde vrijgave van warmte en energie uit de chemische reactie tussen een brandstof en een zuurstofdrager. Bijna alle industriële verbrandingsprocessen gebruiken koolwaterstofhoudende brandstoffen. Een gegeneraliseerde verbrandingsreactie voor een typische koolwaterstofbrandstof is: brandstof + zuurstofdrager = koolstofdioxide (CO₂) + waterdamp (H₂O) + overige soorten. De 'overige soorten' hangen af van het type zuurstofdrager en de brandstof-zuurstofdrager verhouding. De meest gebruikte zuurstofdrager is lucht, die voor ~79% uit stikstof (N₂) bestaat en doorgaans ongereageerd meegaat in het verbrandingsproces.

Bij brandstofrijke verbranding (onvoldoende O₂) blijven onverbrande koolwaterstoffen in de rookgassen en is er weinig tot geen overmaat O₂. Bij brandstofarme verbranding (overmaat O₂) blijft overmaatzuurstof in de rookgassen.

Invloed van Brandstof op Warmteoverdracht

De brandstofsamenstelling bepalend is voor de samenstelling van de verbrandingsproducten (POC) en de benodigde hoeveelheid zuurstofdrager. De dichtheid van de brandstof bepaalt de doorstromingssnelheden in het toevoersysteem en de benodigde leidingafmetingen.

Een van de belangrijkste eigenschappen is de verbrandingswaarde van de brandstof. Hiermee wordt bepaald hoeveel brandstof verbrand moet worden om de gewenste productiesnelheid te bereiken. De verbrandingswaarde wordt gespecificeerd als hogere verbrandingswaarde (HHV) of lagere verbrandingswaarde (LHV).

• LHV sluit de verdampingswarmte uit (energie nodig om vloeibaar water om te zetten in stoom). De LHV veronderstelt dat alle POC gasvormig zijn, wat meestal het geval is in industriële toepassingen.
• HHV sluit deze extra energie in. Als de verbrandingsproducten de procesruimte verlaten bij een temperatuur waar alle water condenseert, wordt de condensatiewarmte vrijgemaakt als additionele energiebron.

Rookgassamenstelling en Warmteoverdracht

De rookgassamenstelling is cruciaal voor de warmteoverdracht in de oven. Onverbrande koolwaterstoffen wijzen op onvolledige verbranding, waardoor niet alle beschikbare warmte vrijkomt. Hoge overmaat O₂-niveaus duiden op te veel toegevoerde zuurstofdrager. Deze overmaat voert gevoelige warmte weg via de rookgassen, wat betekent dat een deel van de brandstofenergie niet benut wordt voor het verwarmen van de ovenlading. Bij lucht als zuurstofdrager gaat een groot deel van de energie verloren met de N₂ in de rookgassen.

De POC overdragen warmte aan de ovenlading om de temperatuur te verhogen en verlaten daarna de oven. De gevoelige warmte in de POC bij de kritische processtemperatuur is niet beschikbaar voor de oven. Hoe hoger de kritische temperatuur, hoe hoger deze gevoelige warmte. Dit is van groot belang voor het brandstofgebruik.

Zuurstofverrijkte Verbranding

Er zijn twee veelvoorkomende typen zuurstofdragers: lucht (meest gebruikt) en zuurstofverrijkte zuurstofdragers (>21% O₂). Deze laatste wordt O₂-verrijkte verbranding genoemd. In veel gevallen kan de productiesnelheid aanzienlijk toenemen met slechts kleine hoeveelheden O₂-verrijking.

Lucht/brandstof-brandeers kunnen vaak tot ~30% O₂ werken met minimale aanpassingen. Bij hogere O₂-concentraties kan de vlam onstabiel worden of de vlamtemperatuur te hoog voor standaard brandeers. In hogere temperatuuraanwendingen, waar de voordelen van hoge zuiverheid O₂ de extra kosten rechtvaardigen, worden zuiverere zuurstofdragers gebruikt (>90% O₂). Het verwarmsproces wordt dan sterk geïntensiveerd. De zuiverheid van de zuurstofdrager heeft een significante invloed op de warmteoverdracht.

Stoichiometrie en Equivalentieratio

Een belangrijk aspect is de verhouding brandstof/zuurstofdrager. Voor CH₄ (methaan) met lucht als zuurstofdrager is de stoichiometrische reactie: CH₄ + (2O₂ + 7,52N₂) = CO₂ + 2H₂O + 7,52N₂. De stoichiometrische ratio is 2 (2 moleculen O₂ per molecuul CH₄).

In de praktijk is overmaat O₂ nodig voor complete verbranding door onvolledige menging. Typisch draaien industriële processen met ~3% overmaat O₂ om CO-emissies te minimaliseren. Te veel overmaat O₂ verspilt energie door het opwarmen van overmaat verbrandingslucht.

Vlamkenmerken en Turbulentie

Meeste industriële vlammen zijn turbulент, gekenmerkt door een turbulente Reynolds-getal (Re). De Kolmogorov-lengteschaal vertegenwoordigt de dimensie waar dissipatie plaatsvindt. De Damköhler-getal (Da) geeft de reactietijd aan ten opzichte van de stroomsnelheid. Vlammen kunnen geclassificeerd worden als: (i) gekreukelde vlam, (ii) sterk gekreukelde vlam, (iii) vlamfronten in turbulente wervels, en (iv) gedistribueerde reactiefront.

Verbrandingseigenschappen

De belangrijkste verbrandingseigenschappen voor industriële toepassingen zijn: (i) samenstelling verbrandingsproducten, (ii) vlamtemperatuur, (iii) beschikbare warmte, en (iv) rookgasvolume na verbranding. Deze zijn essentieel voor het berekenen van warmteoverdracht van vlam en rookgassen naar de oven en lading.

Samenstelling Verbrandingsproducten

Belangrijke variabelen die de POC-samenstelling beïnvloeden: zuurstofdragersamenstelling, mengverhouding, voorverhittingstemperaturen van lucht en brandstof, en brandstofsamenstelling.

Zuurstofdragersamenstelling: Bij CH₄-verbranding met lucht is >70 volumeprocent van de rookgassen N₂. Bij zuurstof/CH₄-verbranding verdwijnt de N₂, wat het rookgasvolume aanzienlijk reduceert. Algemeen: CH₄ + 2O₂ + xN₂ = CO₂ + 2H₂O + xN₂ + sporen.

De werkelijke samenstelling hangt af van zuurstofdragersamenstelling, gastemperatuur en equivalentieratio (verhouding werkelijke brandstof/lucht-verhouding tot stoichiometrische verhouding). Stoichiometrische verbranding treedt op als alle O₂ wordt verbruikt.

Een adiabatisch proces (geen warmteverlies) is theoretisch; in de praktijk gaat warmte verloren door straling. De voorspelde hoofproducten voor adiabatisch evenwicht zijn een functie van de zuurstofdragersamenstelling. Bij verwijdering van N₂ uit de zuurstofdrager dalen de N₂-concentraties in de rookgassen, terwijl CO, CO₂ en H₂O toenemen. Bij hogere O₂-niveaus ontstaat meer CO door chemische dissociatie bij hoge temperaturen.

Radicalen (H, O, OH) nemen toe met O₂ in de zuurstofdrager. NO neemt initieel toe, daalt daarna boven ~60% O₂, en is afwezig bij zuivere O₂ (geen N₂). Onverbrande brandstof (H₂, CO) en ongereageerde O₂ nemen toe door thermische dissociatie.

De werkelijke vlabtemperatuur is lager dan de adiabatische evenwichtstemperatuur door onvolledige verbranding en straling. Een heldere vlam heeft doorgaans een hogere temperatuur dan een luminieuze vlam. De temperatuur is ook lager wanneer de ovenlading en wanden meer straling absorberen (lagere temperatuur, hogere absorptiviteit).

Naarmate de gasproducten de vlam verlaten, verliezen ze warmte door convectie en straling. Het doel is om de chemische energie van de brandstof over te dragen aan de ovenlading. Hoe thermisch efficiënter het proces, hoe meer warmte overgedragen wordt, en hoe lager de rookgastemperatuur in de schoorsteen.

Mengverhouding

O₂- en N₂-concentraties in rookgassen dalen met de equivalentieratio. H₂O en CO₂ pieken bij stoichiometrische condities (belangrijk voor niet-luminieuze gasstraling). Onverbrande brandstof (H₂, CO) neemt toe met de equivalentieratio, wat de beschikbare warmte reduceert.

Voorverhitting van Lucht en Brandstof

Warmterecuperatie wordt gebruikt om de thermische efficiëntie te verbeteren. Voorverhit lucht heeft een grotere impact op de rookgassamenstelling dan voorverhit brandstof, door de grotere massa lucht. CO₂, H₂O en N₂ nemen allemaal af in de rookgassen bij luchtvoorverhitting door chemische dissociatie.

Brandstofsamenstelling

Veelvoorkomende gasvormige brandstoffen: H₂, CH₄, C₃H₈ (propaan), en mengsels van H₂/CH₄. Wat luminositeit betreft: H₂ produceert niet-luminieuze vlammen, CH₄ lage luminositeit, C₃H₈ hogere luminositeit.

Vlamtemperatuur

De vlabtemperatuur is kritisch voor warmteoverdracht naar de lading. De adiabatische vlabtemperatuur hangt af van zuurstofdrager/brandstofsamenstelling, mengverhouding, en voorverhittingstemperaturen. Echte vlabtemperaturen zijn lager, maar trends zijn representatief.

• Zuurstofdrager/brandstofsamenstelling: Vervanging van lucht door O₂ verhoogt de vlabtemperatuur aanzienlijk (N₂ werkt als verdunner). Er is een snelle stijging tot ~60% O₂, daarna langzamer. Bij H₂/CH₄-mengsels stijgt de temperatuur met H₂-gehalte, niet-lineair met snellere stijging bij hogere H₂-niveaus.
• Mengverhouding: Piekvlabtemperaturen bij stoichiometrische condities. Bij lagere O₂-concentraties (meer N₂) is de temperatuurverlaging bij niet-stoichiometrische condities groter. In de praktijk piekt de temperatuur vaak bij iets brandstofarme condities door onvolledige menging. Industriële toepassingen draaien meestal brandstofarm voor lage CO-emissies. Maximale vlabtemperatuur maximaliseert ook NOx-emissies (exponentiële toename met temperatuur), wat leidt tot ontwerpconcepten voor piekvlabtemperatuurverlaging.
• Voorverhitting: Bij lucht/CH₄ is de invloed van luchtvoorverhitting dramatisch (grote massa lucht). Bij O₂/CH₄ is de toename kleiner (kleinere massa O₂, initiële efficiëntie al ~70%). Veiligheidsrisico's bij hete O₂-doorstroming.

Beschikbare Warmte

De beschikbare warmte in het verbrandingssysteem is cruciaal voor de thermische efficiëntie. Definitie: brutoverbrandingswaarde van de brandstof minus de energie die de hete rookgassen wegnemen.

Brutobeschikbare warmte (GAH): GAH = calorische waarde brandstof + gevoelige warmte reactanten - warmte weggevoerd door POC die de oven verlaten. GAH vertegenwoordigt de warmte bij de kritische processtemperatuur, niet de nettowarmte voor een functie (verliesfactoren niet meegerekend). GAH kan gebruikt worden als criterium voor vergelijking van brandstof-verbrandingssystemen.

Netto beschikbare warmte (NAH): NAH = GAH - warmteverliezen (openingen, wanden, infiltratie). NAH kan dienen als criterium voor vergelijking van smelt/verhit-efficiëntie van verschillende ovens.

Theoretische beschikbare warmte is evenredig met de daadwerkelijk geabsorbeerde energie door de lading, direct gerelateerd aan thermische efficiëntie. Daarom wordt deze gebruikt om efficiëntietrends te tonen als functie van rookgastemperatuur, zuurstofdrager/brandstofsamenstelling, mengverhouding, en voorverhittingstemperaturen.

• Beschikbare warmte daalt snel met stijgende rookgastemperatuur, relatief onafhankelijk van brandstofsamenstelling. Om de thermische efficiëntie te maximaliseren, moet de rookgastgemiddeld geminimaliseerd worden (maximale warmteoverdracht aan lading/wanden, warmterecuperatie via voorverhitting).
• Bij CH₄/O₂ is de beschikbare warmte bij 2000°C nog 57%. CH₄/lucht-systemen zijn economisch onaantrekkelijk voor hoge-temperatuurprocessen: bij 1300°C is beschikbare warmte slechts ~30%. Luchtvoorverhitting wordt gebruikt voor hogere temperaturen.
• Zolang de rookgastemperatuur stijgt, daalt de beschikbare warmte. Er is een initiële snelle toename van beschikbare warmte wanneer O₂-concentratie in de zuurstofdrager stijgt vanaf 21% (lucht). Dit verklaart de populariteit van O₂-verrijking. De thermische efficiëntie van CH₄/lucht verdubbelt bij luchtvoorverhitting tot ~1100°C.
• Bij CH₄/O₂ is de efficiëntietoename door O₂-voorverhitting veel minder dramatisch (start al bij 70%, kleinere massa O₂). Veiligheidsbedenken bij hete O₂-doorstroming.

Volume Rookgas

De gasstroomsnelheid door de verbrandingskamer is evenredig met de convectieve warmteoverdracht. Factoren die de stroomsnelheid beïnvloeden:

• Gastemperatuur: hogere temperatuur = hogere actuele stroomsnelheid (m³/u) door thermische uitzetting. Voorverhitting verhoogt dus de actuele stroomsnelheid, maar gecorrigeerd op STP is de stroomsnelheid gelijk.
• Zuurstofdragersamenstelling: O₂-verrijkte verbranding verwijdert N₂. Major verandering: reductie van rookgasvolume. Per eenheid brandstofvolume: 3 genormaliseerde volumes gas bij O₂/brandstof vs 10,5 bij lucht/brandstof. Dit reduceert de gemiddelde gassnelheid door de ovenkamer en daardoor de convectieve warmteoverdracht.

Transportkenmerken van Rookgassen

De transportkenmerken van gascomponenten in de ovenkamer zijn belangrijk voor warmteoverdracht en vloeistofdynamiek. Ze hangen sterk af van temperatuur en gassamenstelling. Belangrijke eigenschappen variëren als functie van brandstof/zuurstofdragersamenstelling, mengverhouding, en luchtvoorverhittingstemperatuur. Brandstofvoorverhitting heeft minimaal effect.

Gassamenstelling en temperatuur zijn nodig voor niet-luminieuze gasstraling. Transportkenmerken zijn nodig voor de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt (vaak als Nusselt-getal Nu). Nu wordt berekend uit Prandtl-getal (Pr) en Reynolds-getal (Re). De convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt 'h' volgt uit Nu = hd/k (d = karakteristieke dimensie, k = thermische geleidbaarheid van de vloeistof).

Dichtheid

Gasmiddeldichtheid wordt gebruikt voor Re-getal (convectieve warmteoverdracht) en gemiddelde gassnelheid door de ovenkamer. Dichtheid is omgekeerd evenredig aan absolute gastemperatuur. Dichtheid daalt snel met toenemende O₂-gehalte in de zuurstofdrager (door hogere vlabtemperaturen). Lagere dichtheid = lager Re = gereduceerde convectieve warmteoverdracht, maar massastroomsnelheid daalt ook, waardoor de impact op convectie via gassnelheid minimaal is.

Dichtheid bereikt een minimum bij intermediaire equivalentiratio's (correleert met adiabatische vlabtemperatuur). Bij luchtvoorverhitting daalt dichtheid bijna lineair. Bij H₂/CH₄-mengsels daalt dichtheid niet lineair, maar inverse correlatie met adiabatische vlabtemperatuur.

Specifieke Warmte

Specifieke warmte (warmtecapaciteit) beïnvloedt Pr-getal en dus convectieve warmteoverdracht. Er is een niet-lineaire toename met rookgastemperatuur (sneller bij hogere temperaturen). Specifieke warmte neemt bijna lineair toe met O₂% in de zuurstofdrager, wat convectie verbetert.

Relatie met equivalentieratio is complex en brandstofafhankelijk. Alle brandstoffen tonen initiële toename tot lokaal maximum bij stoichiometrie, daarna daling, plateau, en wederopbouw. Bij CH₄ zeer snelle stijging bij hoge equivalentiratio's. Industriële processen draaien meestal licht brandstofarm, waar de relatie sterker en lineairder is. Bij H₂/CH₄-mengsels snelle toename bij hoog H₂-gehalte.

Thermische Geleidbaarheid

Beïnvloedt Pr-getal en convectieve coëfficiënt. Omgekeerde relatie met Pr-getal. Ongeveer evenredig aan wortel van absolute temperatuur. Vergelijkbare niet-lineaire toename met temperatuur als specifieke warmte.

Thermische geleidbaarheid stijgt snel met O₂-gehalte in zuurstofdrager (bijna lineair, sneller bij lagere O₂%). Relatie met equivalentieratio is complex: lokaal maximum bij stoichiometrie. Bij H₂ is dit ook het globale maximum. Bij CH₄ snelle stijging bij zeer brandstofrijke condities, boven stoichiometrisch maximum. Vergelijkbaar voor C₃H₈. Industriële processen (licht brandstofarm) tonen nog steeds snelle verandering aan brandstofarme kant.

Simpeler: geleidbaarheid stijgt iets sneller dan lineair met luchtvoorverhittingstemperatuur. Bij H₂/CH₄-mengsels snellere stijging bij hogere H₂-gehalte.

Viscositeit

Dynamische viscositeit meet impulsdiffusie. Vergelijkbare relatie als thermische geleidbaarheid. Belangrijk voor zowel Pr als Re (tegengestelde invloed). Kinematische viscositeit gerelateerd aan dynamische viscositeit.

Bijna lineaire toename met rookgastemperatuur. Viscositeit stijgt met O₂-gehalte in zuurstofdrager (volgt adiabatische vlabtemperatuur). Piekt bij equivalentieratio 1,0 (stoichiometrisch), daalt bij brandstofrijk/brandstofarm. Stijgt met luchtvoorverhitting (vergelijkbaar met vlabtemperatuur). Stijgt met H₂-gehalte in H₂/CH₄-mengsel, sneller bij hogere H₂-gehalten.

Prandtl-getal (Pr)

Vaak gebruikt voor convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt. Componenten: specifieke warmte, viscositeit, thermische geleidbaarheid. Verandert als functie van brandstof/zuurstofdragersamenstelling, mengverhouding, luchtvoorverhitting. Weinig verandering met brandstofvoorverhitting.

Pr-getal daalt met temperatuur, niet-uniform: initieel matig, dan langzamer, ten slotte snel bij hoge temperaturen. Hoogst niet-lineaire relatie met zuurstofdragersamenstelling. Bij CH₄ en C₃H₈ snelle daling, dan afvlakking bij hogere O₂%. Bij H₂ minimum bij ~50% O₂. Hoogst niet-lineair met equivalentieratio (lokale maxima/minima). Bijna lineaire daling met luchtvoorverhitting. Daling met H₂-gehalte in H₂/CH₄, snel bij hoge H₂.

Lewis-getal (Le)

Verhouding thermische diffusiviteit / moleculaire (massa) diffusiviteit. Belangrijk voor warmteoverdracht in verbrandingssystemen. Voor Le > 1: verbetering convectieve warmteoverdracht door chemische recombinatiereacties. Le = 1 voor temperaturen <1200°C (brandstofafhankelijk), daarna snelle stijging. Le > 1 voor alle zuurstofdragersamenstellingen onder adiabatische evenwichtscondities. Piekt bij intermediaire zuurstofdragersamenstellingen, daalt bij hogere O₂%. Dramatische piek bij stoichiometrie, daalt onder 1,0 bij hogere equivalentiratio's. Bijna lineaire toename met luchtvoorverhitting (adiabatisch evenwicht). Snellere toename bij hogere H₂-gehalte in H₂/CH₄-mengsel.

Warmteoverdracht in een Oven

Warmtestroom Binnen de Ovenlading

Bij elektrisch verwarme lading (weerstand of inductie) concentreren fluxlijnen net binnen het oppervlak. Bij brandstofverbranding treedt warmte de lading binnen via het oppervlak (straling/convectie) en diffuseert door geleiding. Dit vereist een temperatuurverschil binnen de lading. Stationaire warmtestroom door platte lading. Bij niet-platte lading zijn fluxlijnen zelden parallel of stationair. Bij instationaire warmtestroom is de eindige-elementenmethode nodig voor temperatuurbepaling op gegeven tijd/punt. Verhoging ovntemperatuur (hoge 'thermische kop') of 'snel verwarmen' leidt vaak tot non-uniforme verhit, wat langere inspeentijden vereist, soms het doel van snel verwarmen tegensprekend.

Thermische Geleidbaarheid en Diffusiviteit

Grote variatie in thermische geleidbaarheid van metalen, direct van invloed op warmtestroom/diffusie, en dus op temperatuurdistributie/uniformiteit in vastestoffen. De cruciale factor is thermische diffusiviteit = thermische geleidbaarheid / (specifieke warmte × dichtheid). Teller = snelheid warmtestroom in eenheidsvolume; noemer = hoeveelheid warmte geabsorbeerd door dat volume. Hogere verhouding = snellere geleiding, distributie, absorptie.

Thermische geleidbaarheden en diffusiviteiten van vastestoffen variëren sterk met temperatuur. Specifieke warmtes en dichtheden variëren weinig, behalve stalen bij fasetransitie. Zuivere metalen: geleidbaarheid daalt met temperatuur; legeringen: geleidbaarheid stijgt doorgaans met temperatuur.

Vertragingstijd (Lag Time)

Effect van thermische geleidbaarheid op warmtestroom en interne temperatuurdistributie getoond in Fig 1 voor drie gelijk grote platen van ferrolegeringen, verwarmd van twee kanten. Oppervlaktetemperaturen stijgen snel, maar interieurtemperaturen verschillen door verschillende diffusiviteiten. Platen bereiken evenwicht met ovntemperatuur op verschillende tijdstippen.

Fig 1 Effect van thermische geleidbaarheid op warmtestroom en interne temperatuurdistributie

Materialen in industriële ovens zijn niet noodzakelijk continu. Laadingen bestaan vaak uit gewikkelde bandmateriaal of losse stukken opgestapeld of naast elkaar. Warmte kan dan alleen stromen via kleine contactpunten of door gasgevulde ruimtes (zeer lage thermische geleidbaarheid). Een stapel platen is een voorbeeld van zeer lage conductance.zelfs kleine luchtspalten vormen grote thermische weerstand. Een stapel kan niet als massief vast worden behandeld; dunne luchtlagen zijn isolators. Verschillende luchtspalten leiden tot slechte temperatuuniformiteit.

Snelle warmtestroom in elk stuk van een gestapelde lading wordt alleen verkregen door circulatie van hete gassen door het gestapelde materiaal via convectie en gasstraling. Deze gasmassa's moeten constant vervangen worden door nieuwe hete gassen (lage massa, lage specifieke warmte, dunne gasstraal, snel afkoelend zonder veel warmte over te dragen). Voor uniforme verhit en nauwkeurige reproduceerbaarheid is stapelen te vermijden.

Warmteoverdracht naar het Oppervlak van de Ovenlading

In ovenpraktijk vindt warmteoverdracht plaats via drie modi: (i) geleiding, (ii) convectie, (iii) straling. Essentiële principes helpen ontwerpers en operators. Meeste industriële ovens gebruiken brandstofverbranding als warmtebron. Verbranding resulteert in omzetting van chemische energie naar gevoelige warmte. Vergroting van mengoppervlak brandstof/zuurstofdrager of verhoging reactantentemperatuur versnelt verbranding, meestal hogere bron temperaturen. Brandstofoxidatieracties zijn exotherm, kunnen uitlopen in oncontroleerbare toestand (thermische energie sneller vrijgemaakt dan afvoerbaar via warmteoverdracht) – positieve terugkoppeling kan explosie veroorzaken.

Een vlam is een dunne zone van snelle exotherme chemische reactie. Voorbeeld: Bunsenbrander. Bij een Bunsenbrander wordt een grondig voorgemengde laminare stroom brandstofgas en lucht ontstoken, vormend een kegelvormige reactiezone (vlamfront). Turbulentie vergroot dikte en oppervlakte van reactiezone, resulterend in hogere verbrandingssnelheid. Laminare verbrandingssnelheid voor aardgas ~18 m/min; turbulente kan 2-10x sneller. In een laminare vlam kan thermische uitzetting gecombineerd met verhoogde reactiviteit door hogere temperaturen leiden tot versnelling naar turbulente vlam. Behalve lange luminieuze vlammen zijn meeste industriële vlammen turbulente.

Geleidingswarmteoverdracht

Molecuul-naar-molecuul overdracht van trillingsenergie, meestal in vastestoffen. Alleen geleiding naar de lading is zeldzaam. Treedt op wanneer koud metaal op een hete hearth wordt gelegd, of kortdurend bij onderdompeling in zoutbad of vloeibaar metaalbad.

Als twee vaste stukken in goed contact zijn (geen laag oxide, lucht, vloeistof), nemen contactoppervlakken direct identieke temperatuur aan (tussen de temperaturen van de lichamen). Temperatuurgradienten in de contactende materialen zijn omgekeerd evenredig aan hun geleidbaarheden (Fig 2).

Fig 2 Effect van geleidbaarheid en tijd op temperatuurgradienten in twee vastestoffen met verschillende temperaturen en geleidbaarheden, in vast contact

Warmtestroomsdichtheid (warmtestroom per eenheidsoppervlak) hangt af van temperaturen, diffusiviteiten en configuraties. In de praktijk wordt weinig warmte overgedragen door geleiding, behalve bij warmtestroom van billet naar watergekoelde steunen.

Bij plotselinge onderdompeling van koud metaal in vloeibaar zout/lood/zink/vloeibaar metaal, bevriest het vloeistof aan het oppervlak van het koude metaal, en warmteoverdracht is alleen door geleiding. Na korte tijd smelt de vaste mantel weer. Vanaf dan: geleiding en convectie.

Convectieve Warmteoverdracht

Combinatie van geleiding en vloeistofbeweging, fysiek transport van verwarmde/afgekoelde moleculen naar een ander oppervlak. Als een gasstroom parallel aan een vast oppervlak stroomt, overdragen trillende moleculen thermische energie.

Een 'grenslaag' van stilstaande, viskeuze, slecht geleidende vloeistof hecht zich aan het vaste oppervlak en werkt als isolerende deken, warmtestroom reducerend. Warmte wordt door de stilstaande laag via geleiding overgedragen. Als de hoofdstroomsnelheid toeneemt, wordt de isolerende grenslaag dunner, wat de convectieve warmteoverdracht verhoogt. De conductance van de grenslaag (filmcoëfficiënt) is een functie van massasnelheid (impuls, Re-getal).

In ovens <600°C is convectie van groot belang omdat straling zwak is. Moderne hoge-snelheidsbrandeers (hoge impuls) geven hoge convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënten. Hoge snelheden bieden vaak meer uniforme temperatuurdistributie (enkel stuk of meerdere stukken), omdat meer massastroom additionele gevoelige warmte draagt bij gematigde temperaturen. Bij lage ovntemperaturen is hoge totale warmteoverdracht alleen mogelijk via hoge gassnelheden, aangezien straling bij ~550°C minder dan 1/10 is van wat het is bij ~1200°C. Hoge-snelheidsbrandeers worden breed gebruikt waar straling niet kan door schaduwproblemen.

Stralingswarmteoverdracht

Straling Tussen Vastestoffen

Vastestoffen stralen zelfs bij lage temperaturen. Netto stralingswarmte die daadwerkelijk overgedragen wordt aan een ontvanger is het verschil tussen ontvangen straling van een bron en heruitgestraalde straling van de ontvanger naar de bron. Netto stralingswarmtestroomsdichtheid tussen een heet lichaam (bron) en een koeler lichaam (ontvanger) kan berekend worden met Stefan-Boltzmann vergelijkingen.

Emissiviteit en absorptiviteit zijn belangrijke eigenschappen. Emissiviteit = uitgestraalde stralingswarmte, uitgedrukt als decimaal van de hoogst mogelijke (zwart lichaam) emissie per eenheidstijd en oppervlak. Uitstralingsvermogen = schijnbare emissiviteit van hetzelfde materiaal voor een eenheid schijnbaar oppervlak (werkelijk groter door ruwheid, golving, etc.). Absorptiviteit = geabsorbeerde stralingswarmte per eenheidstijd en oppervlak, als decimaal van de hoogst mogelijke absorptie.

Ingenieurs gebruiken emissiviteit 0,85 voor conventionele refraktair-gevoerde ovens. Temperatuur, oppervlakteconditie en legering maken echter veel verschil. Voorbeeld: roestvrij staalband verwarmd in <3 minuten in een catenary oven: emissiviteit kan constant blijven ondanks temperatuurstijging van omgeving tot 1100°C. Door meting van zowel bandoppervlaktetemperatuur als ovntemperatuur konden verwarmingscurveberekeningen worden gereviseerd, assumptie: oxidatie verandert emissiviteit/absorptiviteit niet tijdens de verwarmingscyclus.

Straling van Heldere Vlammen en Gassen

Twee oorsprongen van straling van verbrandingsproducten naar vastestoffen: (i) heldere vlam en gassen, (ii) micron-grote roetdeeltjes in luminieuze vlam. Straling van heldere gassen volgt niet de Stefan-Boltzmann vierde-macht-wet. Alleen heldere gassen met ≥3 atomen per molecuul (triatoom: CO₂, H₂O, SO₂) stralen/absorberen significant. Uitzondering: diatoom CO (minder straling). Andere diatoom gassen (O₂, N₂, lucht, H₂) hebben verwaarloosbare straalingsvermogen.

Gasstraling volgt niet de vierde-macht-wet omdat gassen niet in alle golflengtes stralen (grijze lichamen). Elk gas straalt alleen in smalle banden. Straling van heldere gassen hangt af van temperatuur, deeltjesdruk/volumeprocent van elk triatoom gas, en dikte van de gaslaag.

Temperatuur van een stralend gas daalt in stromingsrichting. Om actieve gasstraling te behouden, moet het gas continu vervangen worden door nieuw heet gas, wat ook convectie verbetert. Hogere gassnelheden verminderen temperatuurdaling langs het gaspad. Dit is kritiek voor goede temperatuuniformiteit in hoge-temperatuur industriële ovens.

Ovens worden vaak ontworpen op basis van refraktairstraling die de lading verwart (meestal redelijke resultaten), maar sommige situaties kunnen niet verklaard worden door refraktairstraling alleen. Directe straling van ovengassen levert doorgaans 62% (±2%) van de warmte aan de lading, refraktariem de overige 38% (±2%). Benodigde gastemperaturen voor warmteoverdracht aan refraktariem en lading zijn doorgaans veel hoger dan aangenomen.

Straling van Luminieuze Vlammen

Als een brandstofrijk deel van een lucht/brandstof-mengsel blootgesteld wordt aan warmte (van een heter deel van de vlam), polymeriseren onverbrande brandstofmoleculen of ondergaan thermische cracking, vormende zware, vaste moleculen. Deze roetdeeltjes gloeien wanneer ze heet zijn, wat luminositeit geeft en het totale straalvermogen van de vlam verhoogt.

Als brandstof en lucht niet direct na de brandeersmond goed gemengd worden, kunnen ze worden opgewarmd tot de temperatuur waar koolwaterstoffen cracken (polymeriseren). Verdere verhit brengt de deeltjes tot gloeitemperatuur. Als O₂ zich mengt, verbranden ze. Langs de vlamlengte kan vorming van nieuwe roetdeeltjes gelijk lopen aan verbranding van eerder gevormde deeltjes. Verderop daalt roetproductie, en alle overgebleven roet wordt geïncineerd. Deze vertraagde-menging verbrandingsprocessen moeten voltooid zijn voordat de verbrandingsgassen in de rookgasafvoer gaan. Als de vlam nog luminieus is bij de rookgasinlaat, kan rook verschijnen bij de schoorsteenuitgang. Rook is roet afgekoeld (onder minimale ontbrandingstemperatuur) voordat het gemengd werd met voldoende lucht.

Het toegevoegde straalvermogen van luminieuze vlammen zorgt ervoor dat ze zich sneller zelf afkoelen dan heldere vlammen. Dit is hun doel: warmte leveren. Het afkoelingsfenomeen kan een deel van de winst van hogere luminositeit (effectieve emissiviteit) ongedaan maken.

Luminieuze vlammen worden vaak gekozen omdat de toegevoegde lengte van vertraagde-menging luminieuze vlammen een meer gelijkmatige temperatuurdistributie in grote verbrandingskamers kan produceren. Met hoge luchtvoorverhitting of meer oxy-fuel vuur, kunnen luminieuze vlammen toename in warmtevrijgavesnelheden mogelijk maken.

Brandstoffen met hoge C/H₂-verhouding (meeste oliën en vaste brandstoffen) branden waarschijnlijker met luminieuze vlammen. Brandstoffen met lage C/H₂ (meestal gasvormig) kunnen gemaakt worden luminieus te branden: (i) vertraagde menging, injectie van gelijke lage-snelheids lucht- en gasstromen naast elkaar, (ii) hoge druk om een hoge-snelheids kern van brandstof door langzamer bewegende lucht te 'schieten', zodat de bulk lucht niet kan 'inhalen' met de brandstof voordat deze is opgewarmd (en gepolymeriseerd) door de dunne 'sleeve' van vlam annulaire interface tussen de stromen.

Vlammen van vaste brandstoffen kunnen asdeeltjes bevatten die gloeien, wat toevoegt aan luminositeit. Bij vloeibare en gasvormige brandstoffen komt vlamluminositeit meestal van gloeiende C- en roetdeeltjes. De effectieve vlamemissiviteit (gemeten) ligt meestal tussen die van de POC-gassen en een maximum van 0,95, afhankelijk van het totale oppervlak van vaste deeltjes. Normaal is warmteoverdracht van een luminieuze vlam groter dan van een heldere vlam met dezelfde temperatuur. Het verschil in warmteoverdrachtsnelheid is opvallend in ovens voor herverhitting van staal/metalen. Het verschil wordt duidelijker bij hoge temperatuur, waar straalvermogen per triatoom molecuul toeneemt, maar de winst gedeeltelijk geannuleerd wordt door dalende dichtheid stralende moleculen per eenheidsvolume.

In een ander fenomeen houden banden van gasstraling hun golflengtes vast ongeacht temperatuur. Bij hogere temperaturen verschuift het gebied van hoge intensiteit van vaste deeltjesstraling (gloeiende roet/C-deeltjes) naar kortere golflengtes (weg van de gasbanden). In hogere temperatuurgebieden neemt straling van heldere gassen niet zo snel toe als straling van luminieuze vlammen.

Vlamstraling is een functie van veel variabelen: C/H₂-verhouding brandstof, lucht/brandstof-verhouding, lucht- en brandstoftemperaturen, menging en verstuiving brandstof, vlamdikte. Sommige veranderen met afstand tot brandeer. Brandstoffen met hogere C/H₂ (oliën) maken meer roet, dus meestal luminieuze vlammen, hoewel blauwe vlammen mogelijk zijn met lichte oliën. Veel gassen hebben lage C/H₂, branden helder/blauw. Teer zonder luminositeit branden is moeilijk. Een zichtbare vlam met hoogovengas of H₂ produceren is eveneens moeilijk.

Bij vergelijking luminieuze vs niet-luminieuze vlammen onthouden: (i) roetstraling (luminieus) eindigt meestal waar de zichtbare vlam eindigt, omdat roet meest geïncineerd wordt aan het buitenoppervlak/vel van de vlam, waar het secundaire/tertiaire lucht ontmoet, en (ii) gasstraling (niet-luminieus) treedt op zowel binnen als buiten de zichtbare vlamhülle, wat de uniformiteit en dekking sterk vergroot, hoewel gasstraling binnen de vlam enigszins beschaduwd wordt door omringende roetdeeltjes/triatoom gassen, en gasstraling buiten de vlam kan van koelere gassen afkomstig zijn.

Het effect van overmaat brandstof op vlamstraling is aanzienlijk groter dan het effect van minder overmaat lucht. De voor- en nadelen van heldere vlammen vs lange luminieuze vlammen worden al jaren bediscussieerd. Gewijzigde brandeers en regelschema's helpen het beste van beide te benutten. Een veelvoorkomend probleem bij verschillende brandeertypen is verandering van vlamkarakteristiek bij terugbrengen van brandeervermogen. Problemen bij sommige heldere vlam brandeers: (i) verplaatsing van de piek in het temperatuurprofiel naar de brandeermuur toe als het vuurvermogen vermindert, (ii) bij lagere invoerraten daalt de temperatuur steiler op grotere afstand van de brandeermuur (bijv. temperatuurprofiel van een brandeer op 50% van nominaal vermogen of lager heeft piektemperatuur op of nabij de brandeermuur, verderaf dalend. Bij lagere vuurraten wordt het dalen erger. Bij hogere vuurraten daalt de brandeermuurtemperatuur als de piek verplaatst. In sommige staalherverhittingsovens bij maximum vuurvermogen kan het temperatuurverschil tussen brandeermuur en piek 150°C bedragen.

Het probleem van een temperatuurpiek aan de verre muur bij hoog vuur wordt verergerd door afstoting van ovengassen in de basis van de vlam, wat menging van brandstof met O₂ vertraagt. Als het vuurvermogen toeneemt, neemt de afstoting van complete verbrandingsproducten exponentieel toe. Gevolgen zijn talloze. Bij zijwaarts vuur van een oven bij laag vuurvermogen is de piektemperatuur aan de brandeermuur, maar bij maximum vuurvermogen kan de piek in het ovencentrum of de tegenoverliggende muur liggen. Dus de locatie van een enkele temperatuurregelsensor is nooit correct. Als de sensor in de brandeermuur zit, hebben lage vuurraten piektemperatuur die de muur omhelst en de brandeer drijft naar laag vuur, resulterend in onvoldoende invoer voor de rest van de ovnbreedte. Bij hoge vuurraten is een sensor in de brandeermuur koel terwijl de temperatuur verderaf zeer hoog is, misschien vloeibare schaal vormend op ladingsstukken in het centrum en/of verre muur. Onervaren operators kunnen dan het instelpunt verlagen, wat de ovncapaciteit reduceert.

Een ander voorbeeld: de bodemzone van een staalherverhittingsoven bij lengtegewijs counterflow vuur ten opzichte van ladingbeweging, met regelsensor 3-6 m van de (eindgevuurde) brandeermuur. Bij laag vuurvermogen, zone ingesteld op 1300°C, kan de brandeermuur oplopen tot >1370°C. Op die temperatuur smelt schaal en druppelt naar de vloer van de bodemzone waar het later kan solidificeren als één groot stuk. Bij hoge vuurraten kan de piek verder dan de sensor verschuiven, schaal smeltend op enige afstand richting ladingseinde. Opnieuw verlagen operators instelpunten, capaciteit reducerend.

Controle van bovengenoemde problemen vereist een additionele temperatuursensor in elke zone en een middelen om de mengkarakteristiek van de brandeer aan te passen aan de temperatuurmettingen. Brandeers met instelbare spin (zwieren) kunnen ingesteld worden om veel van het probleem te voorkomen, vooral gecombineerd met een laag-vuur, voorwaartse gas- of luchtstraal door het centrum van de brandeer. Zo'n straal is typisch geschaald voor 5% van maximum gas- of luchtstroom.

Lange, luminieuze vlammen, ofwel laminair ofwel turbulente type, hebben veel minder temperatuurpiek en veranderen niet zo snel in lengte bij vermindering van invoer. Ze kunnen geweldige 'uitlijners' zijn, biedend betere temperatuuniformiteit.

Deze informatie over in-vlam roetstraling en triatoom gasstraling is al enige tijd bekend, maar recente ontwikkelingen kunnen het plaatje veranderen. Gebruik van oxy-fuel (100% O₂), beide verhogen vlamturndown. De grootste winst van oxy-fuel vuur is meer intense stralingswarmteoverdracht door hogere concentratie triatoom gassen, door eliminatie van N₂ uit de POC. Dit verlaagt ook de massagassen die warmte wegnemen via de rookgasafvoer (stack loss reductie). In een andere ontwikkeling maken sommige magere voorgemengde gasvlammen (ontworpen voor lage NOx-emissies) een alomtegenwoordig vlamveld (schijnbaar transparant) door een groot deel van de kamer.