2.1.1 Förbränningsförloppet
Förbränningsförloppet i bränsleeldade ugnar kan variera beroende på brännartyp. Valet av brännare till en viss ugn är alltså viktigt för att få den mest effektiva värmningen.
Jämförelse: Man väljer inte en F1-racer för att åka till shoppingcentret utan i stället en bil anpassad för shopping.
Ett litet ugnsrum kräver ett snabbt förbränningsförlopp och därmed kort flamma medan däremot ett stort ugnsrum kan klara sig med ett långsammare förlopp och längre flamma. Brännaren i första fallet kräver i regel högre lufttryck och bättre flamhållning.
2.1.2 Hur ser förbränningsförloppet ut rent principiellt?
Vi betraktar det färdigblandade bränsleluftflödet utanför brännarnosen, se Figur 11. Efter antändning brinner bränsle-luft-blandningen och frigör den kemiska energin hos bränslet. Den temperaturhöjning som erhålls medför en uppvärmning, genom bland annat strålning från flamman, av den bränsle-luft-blandning som strömmar ut genom brännaren mot förbränningszonen.
Det finns alltså ett värmeflöde i riktning mot den tillförda bränsle-luftblandningen, vilket leder till uppvärmning av blandningen. Då uppvärmningen är tillräcklig antänds blandningen, och en flamfront med en viss förbränningshastighet bildas. Förbränningshastigheten minskar med lägre temperatur och ökar med högre temperatur hos blandningen.
Det finns alltså två hastigheter att ta hänsyn till. Den ena är bränsle-luft-blandningens utströmningshastighet ut från brännaren, och den andra är flamfrontens hastighet in mot brännaren. Jämför med att promenera på en rullbana i tunnelbanan. Man kan gå mot rullbanans rörelseriktning och om man går snabbare än banan, rör man sig mot den och om man går långsammare, följer man med den. Går man med exakt samma hastighet står man stilla mot sin omgivning.
Rör sig alltså flamfronten med exakt samma hastighet, som den utströmmande blandningen, stannar flamman kvar vid brännarnosen.
Om flamfronten får en högre hastighet än den från brännaren utströmmande blandningen, rör sig flamfronten mot brännarmynningen. Då närmar sig flamfronten kallare ytor som kyler av flamfronten och sänker förbränningshastigheten. Bränsleluftblandningens hastighet ut ur brännarmynningen tar överhand och flamman flyttas utåt (detsamma som att gå långsammare mot rullbanans riktning – man börjar följa med den).
Då avståndet åter är så stort att avkylningseffekten ej längre är så hög, stiger åter temperaturen, och därmed höjs förbränningshastigheten och balanserar slutligen flödeshastigheten. Flamfronten stannar då i ett stabilt läge.
Om blandningens hastighet är högre än flamfrontens hastighet, blåser flamman bort från brännaren och kan slockna eller bli mycket instabil.
2.1.3 Hur sker förbränningen av bränsleluftblandningen?
Olja
Oljan måste först fördelas i fina droppar för att det skall vara möjligt att blanda den med luftens syre. Varje kubikcentimeter olja fördelas i så många små droppar, att deras sammanlagda yta blir mer än 100 gånger den ursprungliga droppens yta. Finfördelningen görs med hjälp av tryckluft eller ånga i själva brännarmunstycket. Utanför munstycket sker inblandningen av förbränningsluft.
Då bränsle-luftblandningen värms upp, startar först en förgasning av lättare fraktioner av oljedropparna, och de antänds och förbränns, så snart deras antändningstemperatur har uppnåtts. Sedan följer de allt tyngre fraktionerna, och till slut återstår ett fast ”skelett” av koks, som brinner samtidigt som det ofta sprängs i mindre delar, som brinner upp var för sig. Detta kan ibland ses i en oljeflamma som små gnistor, som flyger iväg.
Gas
I gasbrännaren blandas gasen och luften utanför mynningen. Så snart antändningstemperaturen uppnåtts startar förbränningen. Vid mindre brännare kan gas och luft blandas före brännarmynningen, och den färdiga blandningen leds sedan ut genom brännaren. Denna är då utförd så att den kyler flamman så kraftigt att den ej kan gå tillbaka in i brännaren. Ofta sker kylningen genom en skiva med många små hål, genom vilken blandningen måste passera.
För båda bränsletyperna gäller att den kemiska energin är bunden i form av C och H2, (kol och väte). Då dessa förbränns bildas CO2 och H2O (koldioxid och vatten). Sker förbränningen med för litet luft bildas CO (kolmonoxid), som är mycket giftig.
2.1.4 Hur kan förbränningsförloppet varieras?
Förbränningszonen kan varieras genom att påverka blandningsförloppet mellan bränsle och luft. Snabb blandning och snabb uppvärmning (genom till exempel återföring av heta rökgasprodukter) ger en kort intensiv flamma. Detta kräver i regel högre lufttryck på förbränningsluften, som ofta ges rotation och får passera ut genom förträngningar för att öka turbulensen, som förbättrar flamhållningen. Genom förvärmning av förbränningsluften kan man också öka förbränningshastigheten.
Då en längre flamma önskas, tillför man luft och bränsle i parallella flöden, som långsamt blandar sig med varandra. Observera att vid mycket dåliga blandningsförhållanden kan en lång rykande flamma bildas, och denna blir i regel ej mycket bättre om mer luft tillsätts. Man ökar i stället förlusterna genom att luften innehåller cirka 79 % kväve (N2), som ej alls deltar i någon förbränning. Man värmer bara denna stora barlast från förbränningsluftens ingående temperatur till den temperatur avgaserna har då de lämnar ugnen. För denna värmning krävs en hel del energi, som egentligen skulle ha kunnat användas för värmning av ämnen.
NOx-bildning
Vid höga temperaturer i flamman, och en samtidigt hög O2-halt, underlättas bildningen av kväveoxider, NOx. NOx är ett samlingsbegrepp för de gasformiga oxider som bildas med förbränningsluftens kväve (N2). På senare år har problemet med NOx-bildningen uppmärksammats alltmer, eftersom dessa kväveoxider utgör en hälsofara.
Brännarfabrikanterna har därför konstruerat nya brännartyper, som ger lägre halter av NOx. Dessa brännare arbetar med en återcirkulering av förbränningsprodukter (som är inerta), som undertrycker NOx-bildningen. Man tillför också ibland förbränningsluften i flera steg, vilket verkar hämmande på NOx-bildningen genom att flamtemperaturen hålls nere.
