Front płomienia

Płomień jest zjawiskiem spalania gazu. Gaz może być dostarczony bezpośrednio jako paliwo gazowe (np. gaz ziemny), albo powstawać jako rezultat termicznego przekształcenia ciała stałego – termicznego rozkładu (pirolizy i destylacji) drewna lub węgla, czy też reakcji konwersji węgla do tlenku węgla. Płomienie standardowo dzieli się na dyfuzyjne i wstępnie zmieszane.

W płomieniu dyfuzyjnym paliwo w postaci gazu miesza się z tlenem z powietrza wyłącznie w wyniku zjawiska dyfuzji. Reakcja spalania generuje ciepło, które ją samą przyśpiesza. Z tego powodu obserwujemy samopodtrzymujący się obszar wysokiej temperatury, który nazywamy płomieniem. Jeżeli paliwo nie było wstępnie zmieszane z tlenem, to reakcja spalania i wynikające z niej powstawanie ciepła są ograniczone do warstwy styku gazowego paliwa i powietrza. Tę warstwę nazywamy frontem płomienia. Reakcja spalania jest możliwa dzięki zjawisku dyfuzji, wskutek której paliwo i tlen z sąsiadujących obszarów ulegają zmieszaniu. Grubość tej warstwy jest ograniczona prędkością dyfuzji i w praktyce wynosi kilka milimetrów. Na rys. 1 widać złożoną powierzchnię frontu płomienia. Spalanie zachodzi w cienkiej warstwie na granicy otaczającego powietrza i skłębionej chmury oparów paliwa wydmuchiwanego przez artystę. Żółte światło płomienia pochodzi od rozgrzanej sadzy, czyli drobinek węgla. Najczęściej całe wnętrze płomienia jest wypełnione świecącą sadzą i dlatego cały taki obszar nazywamy „płomieniem”. Jednakże spalanie zachodzi jedynie w cienkiej warstwie na styku paliwa i powietrza, co dobrze widać na załączonym zdjęciu w pełnej rozdzielczości (po kliknięciu).

Rys. 1) Front płomienia. (foto: Luc Viatour / https://lucnix.be, więcej informacji na stronie Wikimedii)

W przypadku paliwa wstępnie zmieszanego z powietrzem jeżeli strefa płomienia zacznie się przesuwać względem gazu, to napotyka już gotową mieszaninę reakcyjną. W odpowiednich warunkach prędkość przemieszczania się frontu płomienia jest tak duża, że zjawisko takie nosi nazwę eksplozji. W warunkach stabilnego płomienia wstępnie zmieszanego (np. płomień kuchenki gazowej) mamy do czynienia z frontem przez który przepływa gaz i który składa się z dwóch części (nb. można je rozdzielić nie tylko koncepcyjnie, ale i fizycznie). Wewnętrzna strona frontu jest związana ze spalaniem z udziałem tlenu zmieszanego wcześniej z paliwem, a zewnętrzna jest spalaniem z udziałem dyfuzji tlenu z otoczenia, tak jak w płomieniu dyfuzyjnym.

Rys. 2) Front płomienia dyfuzyjnego.

Przyjrzyjmy się zatem frontowi płomienia dyfuzyjnego jako prostszemu i bliższemu płomieniowi w piecu. Przedstawia go rys. 2. Po lewej stronie jest wnętrze płomienia i źródło paliwa, a po prawej otaczające powietrze. Paliwo dyfuzyjnie wędruje w prawo. Napotyka tlen dyfundujący z powietrza w przeciwną stronę i ulega stopniowemu spalaniu. Proces ten wytwarza ciepło.

Po lewej stronie generalnie nie ma tlenu, gdyż wchodzący tlen w wysokiej temperaturze reaguje z paliwem. Przy małym stężeniu tlenu z paliwa powstaje sadza. W miarę przesuwania się w prawo stężenie paliwa spada do zera, a powstaje dwutlenek węgla i woda. Gdy paliwo się kończy, wtedy nie ma już źródła ciepła, to jest koniec strefy płomienia. Temperatura spada, a produkty spalania i resztki paliwa dyfundują dalej w prawo w obszar powietrza tworząc spaliny. Gdybyśmy zrobili analogię do gasnącego ogniska, to w ognisku płomienie maleją stopniowo, a potem zostają się żarzące i gasnące węgielki. Im bliżej granicy płomienia, tym większe stężenie tlenu, który przenika z prawej. Powyżej pewnej granicy tego stężenia spalaniu ulega również sadza, która powstała wcześniej w warunkach beztlenowych.

Rys. 3) Stężenia paliwa, tlenu i produktów spalania na froncie płomienia.

Interesuje nas jak duża część niedopalonego paliwa przeniknie do spalin. Przy przesuwaniu się z lewa w prawo, kluczowe są w tej sprawie dwie charakterystyki. Jedną jest wzrost stężenia tlenu przy jednoczesnym spadku stężenia paliwa. Drugą jest spadek temperatury. Obie te zmiany mają przeciwstawny wpływ na możliwość utlenienia resztek paliwa. Większa ilość tlenu ułatwia spalenie resztek, a spadek temperatury blokuje ten proces. W ostatecznym rozrachunku temperatura jest decydująca. Cząstka paliwa pokazana symbolicznie w prawej części rys. 3 najprawdopodobniej oddali się od płomienia i pozostanie niespalona. Jeżeli chcemy wiedzieć ile niedopalonego paliwa pozostanie w spalinach po prawej stronie, to istotny jest balans między oboma zjawiskami, wzrostem stężenia tlenu i spadkiem temperatury.

Rys. 4) A – stygnięcie przeważa nad dopływem tlenu, resztki niedopalone, B – dopływ tlenu do strefy wysokiej temperatury, dobre dopalenie resztek.

Jeżeli temperatura spadnie zanim paliwo napotka wystarczającą ilość tlenu, to pozostaną niedopalone resztki. Natomiast jeżeli tlen wystarczająco wniknie w obszar wysokiej temperatury, to paliwo ulegnie spaleniu. Temperatura spada z dwóch powodów. Pierwszym jest wypromieniowanie ciepła przez sadzę. Drugim jest ochładzanie wskutek kontaktu z zimnym powietrzem. W głównym obszarze spalania wchodzące powietrze spala paliwo, co generuje ciepło z dużym naddatkiem wystarczające do wyrównania bilansu. Ciepło jest wypromieniowywane proporcjonalnie do czwartej potęgi temperatury, więc względnie nieduży wzrost temperatury powoduje znaczny wzrost promieniowania. W pewnej temperaturze ustala się równowaga między generacją ciepła i jego wypromieniowaniem. Inaczej jest na samej granicy płomienia, gdzie paliwa są już resztki i proces spalania się kończy. Tutaj diabeł tkwi w szczegółach, włączając w to intensywność stygnięcia i pominiętą dotychczas możliwość  wzajemnego ruchu paliwa i powietrza.

Rys. 5) Płomień świecy i trzy różne obszary na jego brzegu. (foto: Matthew Bowden, info strona Wikimedii)

Przykład płomienia świeczki dobrze ilustruje zjawiska zachodzące w pojedynczym jęzorze płomienia. Rys. 5 jest zdjęciem świeczki z zaznaczonymi trzema obszarami.
W obszarze A do zjawisk pokazanych na rys. 2 należy dodać przepływ powietrza. Powietrze napływa z dołu na zdjęciu świeczki, a z prawej strony na rys. 2 i napotyka pary parafiny z knota. Bardziej dokładny opis przepływu gazów zamieściłem pod rys. 11. W obszarze spalania panuje nadmiar tlenu i nie powstaje sadza. Płomień ma kolor niebieski. Ten kolor pochodzi od egzotycznych, nietrwałych cząsteczek typu C2, CH i podobnych, powstających w wysokiej temperaturze i świecących na niebiesko jak neonówka. Gdyby powstawała sadza, to jej jasne, żółte światło by dominowało. Niebieski kolor świadczy o braku sadzy, czyli obecności tlenu. W obszarze A na rys. 5 w miarę przesuwania się w głąb płomienia stężenie tlenu spada, ale temperatura jest wysoka wskutek ciepła wytwarzanego na otaczającym froncie. Widzimy świecącą sadzę powstająca z parafiny w warunkach beztlenowych. Po jasności sadzy można też zaobserwować, że temperatura wokół knota ulega miejscowemu obniżeniu, gdyż parująca stearyna pochłania ciepło. Ponad knotem temperatura ponownie się podnosi.

Rys. 6) Mała świeczka w stanie nieważkości (foto: NASA).

Na zdjęciu obok, jako ciekawostka, jest przedstawiony płomień świeczki w stanie nieważkości. Niebieski kolor płomienia jest sztucznie wyostrzony, w rzeczywistości jest bardzo słaby. Przy braku ciążenia nie ma konwekcji i jedynym mechanizmem mieszania się paliwa z powietrzem jest dyfuzja. Jak widać dla małego płomienia świecy bez wspomagania konwekcją dyfuzja jest wystarczająca do zapewnienia odpowiedniej ilości tlenu.

Rys. 7) Brzeg płomienia w miejscu B.

W obszarze B na rys. 5 gaz płynie do góry, czyli równolegle do granicy płomienia. Granica świecącej sadzy jest wyraźna i jasna. W książce „Fundamentals Of Air Pollution Engineering” w rozdz. 6.3.2 czas spalania drobinki sadzy w temperaturze płomienia jest oszacowany na 1 ms. To dość krótko, czyli jasny brzeg obszaru sadzy można w przybliżeniu uważać za granicę pomiędzy obszarami przewagi paliwa i przewagi tlenu. Jasna barwa wskazuje, że w tym miejscu panuje wysoka temperatura. Można się spodziewać, że resztki różnych palnych związków, o ile chciałyby opuścić płomień, ulegną tutaj dobremu dopaleniu.

Rys. 8) Front płomienia w miejscu C na zdjęciu świeczki. A i B – złe i dobre dopalenie paliwa. Żółty kolor na lewym obrazku oznacza potocznie rozumiany obszar płomienia (jak na rys. 2 i 3).

W obszarze C gaz wypływa z płomienia, co jest zobrazowane na rys. 8. Ogólnie płomień świeczki jest cylindrem gazu płynącego do góry. Obszar C leży na osi tego cylindra. Słowo „spalanie” jest bliżej brzegu, aby zaznaczyć, że spalanie przebiega na brzegu obszaru. Paliwo z wnętrza płomienia jest w tym miejscu odgraniczone od powietrza przez warstwę spalin powstałych w czasie spalania w niższej części płomienia, jak to przedstawia rys. 11. Dlatego reakcja spalania jest w tym miejscu wolniejsza. Do tego prędkość przepływu gazu jest duża w porównaniu z prędkością dyfuzji. Można zauważyć, że cząstki sadzy nie świecą zbyt jasno. Stygną, stygnięcie ma wyraźną przewagę nad dopływem tlenu z bocznych obszarów. Tak jak w pierwszych dwóch przypadkach kluczowa jest proporcja między szybkością stygnięcia i dopływem tlenu. Gdyby knot świeczki był dłuższy, to dostarczałby więcej paliwa (par stearyny). Warstwa rozgraniczających spalin byłaby grubsza, prędkość przepływu większa, a prędkość dyfuzji tlenu pozostaje stała. Mielibyśmy do czynienia z sytuacją przedstawioną na rys. 8A, czyli kopceniem. Niedopalnona sadza i różne nieutlenione węglowodory najpierw stygną, a dopiero potem mieszają się z otaczającym powietrzem. W przypadku małego knota i małego płomienia dyfuzja tlenu jest wystarczające i mamy do czynienia z sytuacją z rys. 8B. Płomień wprawdzie stygnie, ale zdąży się dopalić.

Rys. 9) Ognisko.

Tak więc o jakości spalania decyduje balans pomiędzy procesami stygnięcia i mieszania z tlenem zachodzącymi na granicy płomienia. Nie główny obszar spalania, a miejsce, w którym się ono kończy. Zwłaszcza problematyczne są obszary, gdzie gaz wypływa z jęzora płomienia i stygnie bez dobrego dopływu tlenu z otoczenia. Na rys. 9 widzimy płomień ogniska. Choć tego nie widać na zdjęciu, to oczywiście wiemy, że czarny dym powstaje z rudziejących, czyli stygnących, końców jęzorów. Zachodzi to w ten sam sposób, co w płomieniu świeczki w miejscu C.

Rys. 10)

Na rys. 10 widzimy jeszcze inną sytuację. Jak wspomniałem na wstępie płomień jest wynikiem reakcji, która wskutek wydzielania ciepła ulega samowzmocnieniu i samopodtrzymaniu. Jednak nie zawsze obszar utleniacza (określanego wyżej „powietrzem”) ma wystarczającą zawartość tlenu, a obszar „paliwa” wystarczającą zawartość składników palnych, aby reakcja ulegała wystarczającemu wzmocnieniu do wytworzenia płomienia. Zazwyczaj takie samowzmocnienie nazywamy zapłonem, ale przykład spalania bezpłomieniowego pokazuje, że należałoby ten termin uściślić. Spójrzmy na obszar zaznaczony kółkiem. Widzimy styk różnych strumieni gazu i powierzchnie frontu płomienia pomiędzy nimi. Prawa górna część zaznaczonego płomienia wyraźnie otacza pewien strumień „paliwa”, ale nie tworzy zamkniętej powierzchni. Również lewa dolna część jest powierzchnią otwartą. Strumień gazu zawierającego składniki palne najwyraźniej nie jest czystym strumieniem produktów destylacji drewna, ale jest mocno rozcieńczony produktami spalania z dolnej części płomieni. Podobnie z obszarem zawierającym tlen. Widzimy, że w niektórych miejscach składy gazów mają wystarczający potencjał do wytworzenia strefy spalania, a w innych nie. Prezentowane zdjęcie jest najprawdopodobniej zdjęciem płomienia w kominku. W takich warunkach można zaobserwować ogromny wpływ otaczającego promieniowania cieplnego i początkowej temperatury reagentów. Jeżeli obszar reakcji jest odpowiednio dogrzany, to płomień powstanie. W innych miejscach reakcja nie ulega samowzmocnieniu, gdyż straty są zbyt duże, a ilość ciepła wytwarzanego przez spalanie rozcieńczonych reagentów zbyt mała. W przedstawionej sytuacji strumień gazu ze składnikami palnymi nie jest obejmowany przez front płomienia i bezpośrednio uchodzi do komina.


04.05.2018

Otrzymałem pytanie, co to znaczy „dyfuzja pod prąd strumienia gazu” i co dokładnie zachodzi w obszarze A na rys. 5. Opis faktycznie wymagał poprawy, a dla uszczegółowienia sporządziłem rys. 11. Muszę zaznaczyć, że rysunek ten lub jego opis może zawierać nieścisłości, ponieważ nie pochodzi ani z obliczeń, ani pomiarów, jedynie z mojej ogólnej intuicji fizycznej. Należałoby wykonać prostą symulację numeryczną, aby otrzymać na pewno poprawny rysunek.

Rys.11) Źródło gazu w strumieniu powietrza.

Przyjmijmy dla uproszczenia, że źródło palnego gazu jest punktowe i jest umieszczone w strumieniu powietrza płynącego do góry. Gaz ze źródła na rysunku jest żółty, a powietrze nie ma barwy. Gdybyśmy pominęli dyfuzję i spalanie, to będzie to sytuacja przedstawiona schematycznie po lewej stronie. Gaz wypływa ze źródła i tworzy strugę płynącą do góry w strumieniu powietrza. Strzałki oznaczają linie prądu. Po dołożeniu zjawiska dyfuzji powietrze i gaz mieszają się ze sobą na brzegu i otrzymujemy obrazek naszkicowany po prawej. Na szaro zaznaczyłem obszar w którym mamy mieszaninę obu gazów.  W tym obszarze może zachodzić reakcja spalania i wtedy powstają tu produkty spalania. Punkty A i C odpowiadają tym z rys. 5. Granice pomiędzy obszarami oznaczyłem linią przerywaną ponieważ nie są to ostre granice, tylko płynna zmiana składu, tak jak to jest w dyfuzji.
Ponad punktem C spalanie już nie zachodzi. Szary obszar ponad tym punktem zawiera produkty spalania oraz potencjalnie również niedopalone resztki np. w postaci sadzy, które razem będą się stopniowo rozpływać w otaczającym powietrzu, tak jak pokazują to poszerzające się granice szarego obszaru.  Ilość pozostałych zanieczyszczeń będzie zależeć od profilu temperatury tak, jak to przedstawia rys. 8. W małym płomyku w miejscu C zachodzi dobre spalanie, a w dużym szara warstwa zawierająca produkty spalania jest grubsza i przeszkadza we wzajemnym spotkaniu się paliwa i powietrza. Straty promieniste powodują wówczas ochłodzenie reagentów i szybkie zakończenie reakcji spalania.

 

Rys. 12) Dyfuzyjny front płomienia dla strumieni płynących przeciwsobnie. (zaczerpnięty z pracy L. Convery et al. (2005). An Experimental Study of n-Heptane and JP-7 Extinction Limits in an Opposed Jet Burner. 10.2514/6.2005-3766)

Do badania frontu spalania w miejscu A i jego okolicy służą tzw. palniki przeciwprądowe (counterflow burner). Schemat takiego palnika przedstawia na rys. 12.

Paliwo płynie od góry, a powietrze od dołu. „Płaszczyzna stagnacji” (stagnation flame) odpowiada linii oddzielającej gaz od powietrza na rys. 11 po lewej. Powietrze i paliwo wchodzą dyfuzyjnie na przeciwległe sobie obszary, ale dobre warunki spalania zachodzą przy objętościowej (i molowej) przewadze powietrza. Dlatego w takiej konfiguracji spalanie zachodzi na obszarze formalnie przynależnym do powietrza, poniżej linii stagnacji. Paliwo dochodzi tam dyfuzyjnie pod prąd strumienia powietrza. Poniżej filmik pokazujący działanie takiego palnika. (Niestety nie wiem z której strony płynie paliwo, a z której powietrze, ani czy jest to płomień czysto dyfuzyjny, czy premiksowany. Na zdjęciach, jakie widziałem,  front czysto dyfuzyjny wygląda bardzo podobnie do tego na filmiku.)

A poniżej jeszcze jeden filmik pokazujący płomień w stanie nieważkości. Tym razem jest on większy niż mała świeczka na rys. 6 i wewnątrz pojawia się sadza. Warto zwrócić uwagę w jakich miejscach powstaje dym, a gdzie wokół żółtej sadzy pojawia niebieska poświata.

Dodaj komentarz

avatar
  Subscribe  
Notify of