Chłodny płomień - Cool flame

Chłodny płomień jest płomień o maksymalnej temperatury poniżej około 400 ° C (752 ° F). Zwykle powstaje w wyniku reakcji chemicznej określonej mieszanki paliwowo-powietrznej. W przeciwieństwie do konwencjonalnego płomienia reakcja nie jest gwałtowna i uwalnia bardzo mało ciepła, światła i dwutlenku węgla . Zimne pożary są trudne do zaobserwowania i są rzadkością w życiu codziennym, ale są odpowiedzialne za stukanie – niepożądane, nieregularne i głośne spalanie niskooktanowych paliw w silnikach spalinowych .

Historia

Chłodne płomienie zostały przypadkowo odkryte w 1810 roku przez Sir Humphry'ego Davy'ego , który wkładał gorący drut platynowy do mieszaniny powietrza i oparów eteru dietylowego. „Kiedy w ciemności przeprowadza się doświadczenie z powolnym spalaniem eteru, nad drutem pojawia się blado fosforyzujące światło, które oczywiście jest najbardziej wyraźne, gdy drut przestaje się zapalać. kwaśna substancja lotna o właściwościach kwasowych." Po zauważeniu, że niektóre rodzaje płomieni nie palą mu palców ani nie zapalają zapałek, odkrył również, że te niezwykłe płomienie mogą zmienić się w konwencjonalne i że w określonych składach i temperaturach nie wymagają zewnętrznego źródła zapłonu, takiego jak iskra lub gorący materiał.

Harry Julius Emeléus jako pierwszy zarejestrował ich widma emisyjne, aw 1929 ukuł termin „zimny płomień”.

Parametry

Pogarszać CFT (°C) AIT (°C)
Keton metylowo-etylowy 265 515
Keton metylowo-izobutylowy 245 460
Alkohol izopropylowy 360 400
n- Octan butylu 225 420

Chłodny płomień może wystąpić w węglowodorach , alkoholach , aldehydach , olejach , kwasach , woskach , a nawet metanie . Najniższa temperatura chłodnego płomienia jest słabo zdefiniowana i jest konwencjonalnie ustawiana jako temperatura, w której płomień można wykryć wzrokowo w ciemnym pomieszczeniu (chłodne płomienie są ledwo widoczne w świetle dziennym). Temperatura ta w niewielkim stopniu zależy od stosunku paliwa do tlenu i silnie zależy od ciśnienia gazu – istnieje próg, poniżej którego nie powstaje zimny płomień. Konkretnym przykładem jest 50% n- butan – 50% tlenu (objętościowo), który ma temperaturę chłodnego płomienia (CFT) około 300°C przy 165 mmHg (22,0 kPa). Jeden z najniższych CFTs (156 ° C) podano dla C 2 H 5 OC 2 H 5 + O 2 + N 2 mieszaniny przy 300 mm Hg (40 kPa). CFT jest znacznie niższa niż temperatura samozapłonu (AIT) konwencjonalnego płomienia (patrz tabela).

Widma chłodnych płomieni składają się z kilku pasm i są zdominowane przez niebieski i fioletowy – stąd płomień zwykle wydaje się bladoniebieski. Składnik niebieski pochodzi ze wzbudzonego stanu formaldehydu (CH 2 O*), który powstaje w wyniku reakcji chemicznych w płomieniu:

CH 3 O • + • OH → CH 2 O * + H 2 O
CH 3 O• + CH n O• → CH 2 O* + CH n OH

Zimny ​​płomień nie uruchamia się natychmiast po przyłożeniu progowego ciśnienia i temperatury, ale ma czas indukcji. Czas indukcji skraca się, a intensywność jarzenia wzrasta wraz ze wzrostem ciśnienia. Wraz ze wzrostem temperatury intensywność może maleć z powodu zaniku rodników nadtlenowych niezbędnych do powyższych reakcji jarzenia.

Samopodtrzymujące się, stabilne chłodne płomienie zostały stworzone przez dodanie ozonu do strumienia utleniacza.

Mechanizm

Podczas gdy w zwykłym płomieniu cząsteczki rozpadają się na małe fragmenty i łączą się z tlenem wytwarzając dwutlenek węgla (tj. spalają się), w chłodnym płomieniu fragmenty są stosunkowo duże i łatwo łączą się ze sobą. Dlatego uwalniane jest znacznie mniej ciepła, światła i dwutlenku węgla; proces spalania jest oscylacyjny i może trwać przez długi czas. Typowy wzrost temperatury po zapaleniu zimnego płomienia wynosi kilkadziesiąt stopni Celsjusza, podczas gdy dla płomienia konwencjonalnego jest on rzędu 1000°C.

Większość danych eksperymentalnych można wyjaśnić za pomocą modelu, który traktuje zimny płomień jako powolną reakcję chemiczną, w której szybkość wytwarzania ciepła jest wyższa niż utrata ciepła. Model ten wyjaśnia również oscylacyjny charakter zimnego płomienia: reakcja przyspiesza, ponieważ wytwarza więcej ciepła, aż utrata ciepła staje się zauważalna i tymczasowo wygasza proces.

Aplikacje

Chłodne płomienie mogą przyczyniać się do stukania silnika – niepożądanego, nieregularnego i głośnego spalania paliw o niskiej liczbie oktanowej w silnikach spalinowych. W normalnym trybie konwencjonalny front płomienia przechodzi płynnie w komorze spalania od świecy zapłonowej, sprężając mieszankę paliwowo-powietrzną do przodu. Jednak współistniejący wzrost ciśnienia i temperatury może wytworzyć chłodny płomień w ostatniej niespalonej mieszance paliwowo-powietrznej (tzw. gazy końcowe) i uczestniczyć w samozapłonie gazów końcowych.

To nagłe, zlokalizowane wydzielanie ciepła generuje falę uderzeniową, która przemieszcza się przez komorę spalania, a jej nagły wzrost ciśnienia powoduje słyszalny dźwięk stukania. Co gorsza, fala uderzeniowa zaburza termiczną warstwę graniczną na powierzchni tłoka, powodując przegrzanie i ostatecznie stopienie. Moc wyjściowa spada i jeśli przepustnica (lub obciążenie) nie zostanie szybko odcięta, silnik może ulec uszkodzeniu, jak opisano w ciągu kilku minut. Wrażliwość paliwa na zapłon zimnym płomieniem silnie zależy od temperatury, ciśnienia i składu.

Inicjacja zimnego płomienia w procesie stukania jest prawdopodobna tylko w warunkach pracy z dużym zdławieniem, ponieważ chłodne płomienie obserwuje się przy niskim ciśnieniu. W normalnych warunkach pracy samozapłon następuje bez wyzwolenia przez chłodny płomień. Podczas gdy temperatura i ciśnienie spalania są w dużej mierze zdeterminowane przez silnik, skład może być kontrolowany przez różne dodatki przeciwstukowe. Te ostatnie służą przede wszystkim usuwanie rodników (takie jak CO 2 O * wspomniano powyżej), tym samym hamując główne źródło zimnego płomienia.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura