Холодное пламя является пламенем , имеющий максимальную температуру ниже примерно 400 ° C (752 ° F). [1] Обычно он образуется в результате химической реакции определенной топливно-воздушной смеси. В отличие от обычного пламени, реакция не является бурной и выделяет очень мало тепла, света и углекислого газа . Холодные пожары трудно наблюдать и они редко встречаются в повседневной жизни, но они ответственны за детонацию в двигателе - нежелательное, неустойчивое и шумное сгорание низкооктанового топлива в двигателях внутреннего сгорания . [2] [3] [4]
История
Холодное пламя было случайно обнаружено в 1809 году сэром Хамфри Дэви , который вставлял горячую платиновую проволоку в смесь воздуха и паров диэтилового эфира. «Когда эксперимент по медленному горению эфира проводится в темноте, над проволокой воспринимается бледный фосфоресцирующий свет, который, конечно, становится наиболее отчетливым, когда проволока перестает зажигаться. Это появление связано с образованием своеобразного едкое летучее вещество, обладающее кислотными свойствами ». [5] : 79 Заметив, что определенные типы пламени не обжигают его пальцы и не воспламеняют, было обнаружено, что это необычное пламя может переходить в обычное и что при определенных составах и температурах они не требуют внешнего источника воспламенения, такого как искры или горячий материал. [2] [5] [6]
Гарри Юлиус Эмелеус был первым, кто записал их спектры излучения, а в 1929 году он ввел термин «холодное пламя». [7] [8]
Параметры
Сложный | CFT (° C) | AIT (° C) |
---|---|---|
Метилэтилкетон | 265 | 515 |
Метилизобутилкетон | 245 | 460 |
Изопропиловый спирт | 360 | 400 |
н- бутилацетат | 225 | 420 |
Охлаждают пламя может происходить в углеводороды , спирты , альдегиды , масла , кислоты , воски , [9] и даже метана . Самая низкая температура холодного пламени плохо определяется и обычно устанавливается как температура, при которой пламя может быть обнаружено глазом в темной комнате (холодное пламя почти не видно при дневном свете). Эта температура незначительно зависит от соотношения топлива и кислорода и сильно зависит от давления газа - существует порог, ниже которого холодное пламя не образуется. Конкретным примером является 50% н- бутан –50% кислорода (по объему), который имеет температуру холодного пламени (CFT) около 300 ° C при 165 мм рт.ст. (22,0 кПа). Об одном из самых низких значений CFT (156 ° C) сообщалось для смеси C 2 H 5 OC 2 H 5 + O 2 + N 2 при 300 мм рт. Ст. (40 кПа). [10] CFT значительно ниже, чем температура самовоспламенения (AIT) обычного пламени (см. Таблицу [8] ). [2]
Спектры холодного пламени состоят из нескольких полос, в которых преобладают синие и фиолетовые полосы, поэтому пламя обычно выглядит бледно-голубым. [11] Синий компонент происходит из возбужденного состояния формальдегида (CH 2 O *), который образуется в результате химических реакций в пламени: [8]
Холодное пламя не возникает мгновенно после приложения порогового давления и температуры, но имеет время индукции. Время индукции сокращается, а интенсивность свечения увеличивается с увеличением давления. С повышением температуры интенсивность может уменьшаться из-за исчезновения пероксирадикалов, необходимых для указанных выше реакций свечения. [8]
Самоподдерживающееся, стабильное холодное пламя было создано путем добавления озона в поток окислителя. [12]
Механизм
В то время как в обычном пламени молекулы распадаются на мелкие фрагменты и соединяются с кислородом, образуя диоксид углерода (т. Е. Сгорают), в холодном пламени фрагменты относительно большие и легко рекомбинируют друг с другом. Следовательно, выделяется гораздо меньше тепла, света и углекислого газа; процесс горения носит колебательный характер и может продолжаться длительное время. Типичное повышение температуры при зажигании холодного пламени составляет несколько десятков градусов по Цельсию, тогда как для обычного пламени оно составляет порядка 1000 ° C. [2] [13]
Большинство экспериментальных данных можно объяснить с помощью модели, которая рассматривает холодное пламя как медленную химическую реакцию, в которой скорость выделения тепла выше, чем тепловые потери. Эта модель также объясняет колебательный характер холодного пламени: реакция ускоряется, поскольку она производит больше тепла, пока тепловые потери не становятся заметными и временно прекращают процесс. [11]
Приложения
Холодное пламя может способствовать детонации двигателя - нежелательному, неустойчивому и шумному сгоранию низкооктанового топлива в двигателях внутреннего сгорания. [2] В нормальном режиме обычный фронт пламени плавно перемещается в камере сгорания от свечи зажигания, сжимая вперед топливно-воздушную смесь. Однако сопутствующее повышение давления и температуры может вызвать холодное пламя в последней несгоревшей топливно-воздушной смеси (так называемые конечные газы) и участвовать в самовоспламенении конечных газов.
Это внезапное локализованное тепловыделение генерирует ударную волну, которая проходит через камеру сгорания, и ее внезапное повышение давления вызывает слышимый стук. Хуже того, ударная волна разрушает тепловой пограничный слой на поверхности поршня, вызывая перегрев и, в конечном итоге, плавление. Выходная мощность уменьшается, и, если быстро не отключить дроссельную заслонку (или нагрузку), двигатель может быть поврежден, как описано, в течение нескольких минут. Чувствительность топлива к воспламенению холодным пламенем сильно зависит от температуры, давления и состава.
Инициирование процесса детонации холодным пламенем возможно только в условиях эксплуатации с сильным дросселированием, поскольку холодное пламя наблюдается при низких давлениях. В нормальных условиях эксплуатации самовоспламенение происходит без срабатывания холодного пламени. В то время как температура и давление сгорания в значительной степени определяются двигателем, состав можно регулировать с помощью различных антидетонационных присадок. Последние в основном направлены на удаление радикалов (таких как CH 2 O *, упомянутых выше), тем самым подавляя основной источник холодного пламени. [14]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Lindström, B .; Карлссон, JAJ; Ekdunge, P .; De Verdier, L .; Häggendal, B .; Dawody, J .; Nilsson, M .; Петтерссон, LJ (2009). «Установка риформинга дизельного топлива для автомобильных топливных элементов» (PDF) . Международный журнал водородной энергетики . 34 (8): 3367. DOI : 10.1016 / j.ijhydene.2009.02.013 . Архивировано из оригинального (PDF) 08.06.2011 . Проверено 18 мая 2010 .
- ^ а б в г д Перлман, Ховард; Чапек, Ричард М. (1999). Холодное пламя и самовоспламенение: теория возгорания с тепловым воспламенением, экспериментально подтвержденная в условиях микрогравитации . НАСА . п. 142. ISBN. 978-1-4289-1823-8., Веб-версия в НАСА. Архивировано 01 мая 2010 г. на Wayback Machine.
- ^ Питер Грей; Стивен К. Скотт (1994). Химические колебания и нестабильности: нелинейная химическая кинетика . Издательство Оксфордского университета. п. 437. ISBN. 978-0-19-855864-4.
- ^ Стивен К. Скотт (1993). Химический хаос . Издательство Оксфордского университета. п. 339. ISBN. 978-0-19-855658-9.
- ^ a b Х. Дэви (1817) «Некоторые новые эксперименты и наблюдения по горению газовых смесей, с описанием метода сохранения постоянного света в смесях горючих газов и воздуха без пламени», Философские труды Королевского общества of London , 107 : 77-86.
- ^ Ряд других исследователей впоследствии также наблюдали холодное пламя:
- HB Miller (1826) «О производстве уксусной кислоты в некоторых оригинальных экспериментах с металлическими и неметаллическими веществами над эфиром, спиртом и т. Д.», Annals of Philosophy , новая серия, 12 : 17-20. Со страницы 19: «Кончик стеклянного стержня, проведенный над эфиром, излучает голубое пламя со всей своей поверхности; уксусная кислота образуется в большом количестве».
- (Döbereiner) (1834) "Sauerstoffabsorption des Platins" (Поглощение кислорода платиной), Annalen der Physik und Chemie , 31 : 512. Со страницы 512: "Eine andere nicht uninteressante Beobachtung von Döbereiner ist: das Aether Schon bei der Termperatur 90 ° R. verbrennt, und zwar mit einer nur im Dunkeln wahrnehmbaren blassblauen Flamme, die nicht zündend wirkt, aber selbst so entzündbar ist, dass sie sich bei Annäherung einer brennenden Kerze augenblickmelüdénée de la de la de la de la de la de la de la de la de la de la de la de la de Hurnehmbaren. (Еще одно небезынтересное наблюдение Доберейнера заключается в том, что эфир горит даже при температуре 90 ° Реомюра с бледно-голубым пламенем, которое ощущается только в темноте, которое не вызывает воспламенения [вещей], но сам по себе является настолько огнеопасным, что при приближении горящей свечи, он мгновенно превращается в пылающее, ярко пылающее пламя.)
- Бутиньи (1840) «Феномены калефактион» , Comptes rendus …, 12 : 397-407. На странице 400 Бутиньи заявил, что при добавлении диэтилового эфира по каплям в раскаленный платиновый тигель образуется раздражающий кислый пар. «… Il est bien à présumer qu'il s'opère là une горение lente,…» (… можно предположить, что там происходит медленное горение…)
- Пьер Ипполит Boutigny, Études сюр ле корпуса à l'état шаровидным: Nouvelle Branche де телосложением [Исследования на телах в шаровидным состоянии: новая отрасль физики], 3 - е изд. (Париж, Франция: Виктор Массон, 1857 г.), стр. 165–166. На странице 166 Бутиньи отметил, что, когда он налил немного диэтилового эфира в горячий тигель: «Dans une obscurité profonde, on aperçoit, à toutes les phase de l'expérience, une flamme d'un bleu clair peu visible, qui ondule dans le Creuset dont elle remplit toute la capacity. Cette flamme red et transparent est le signe d'une métamorphose profonde qui subit l'éther; elle est caractérisée par le dégagement d'une vapeur dont l'odeur vive et pénétrante irrite fortement la muquese les cononctives ". (В глубокой темноте на всех стадиях эксперимента человек воспринимает пламя незаметного голубого цвета, которое колеблется в тигле, который оно полностью заполняет. Это редкое и прозрачное пламя является признаком глубокой метаморфозы, которую претерпевает эфир; он характеризуется выделением пара, резкий и проникающий запах которого сильно раздражает слизистую носа и конъюнктиву [глаз].)
- WH Perkin (1882) "Некоторые наблюдения светового неполного сгорания эфира и других органических тел", Journal of the Chemical Society , 41 : 363-367.
- ^ Гарри Джулиус Эмелеус (1929) «Излучение света от фосфоресцирующего пламени эфира, ацетальдегида, пропальдегида и гексана», Журнал Химического общества (возобновленный) , стр. 1733-1739.
- ^ а б в г HJ Pasman; О. Фредхольм; Андерс Якобссон (2001). Предотвращение потерь и повышение безопасности в обрабатывающих отраслях . Эльзевир. С. 923–930. ISBN 0-444-50699-3.
- ^ Опасности XIX: безопасность процесса и охрана окружающей среды: что мы знаем? куда мы идем? . IChemE. 2006. с. 1059. ISBN 0-85295-492-1.
- ^ Гриффитс, Джон Ф .; Иномата, Тадааки (1992). «Колебательное холодное пламя при горении диэтилового эфира». Журнал химического общества, транзакции Фарадея . 88 (21): 3153. DOI : 10.1039 / FT9928803153 .(в этой ссылке приводятся свидетельства холодного огня при 430 K, что составляет 156 C, а не 80 C)
- ^ а б Барнард, Дж (1969). «Холоднопламенное окисление кетонов». Симпозиум (международный) по горению . 12 (1): 365. DOI : 10.1016 / S0082-0784 (69) 80419-4 .
- ^ Выиграл, SH; Jiang, B .; Diévart, P .; Sohn, CH; Джу, Ю. (2015). «Самоподдерживающееся холодное диффузионное пламя н-гептана, активируемое озоном». Труды Института горения . 35 (1): 881–888. DOI : 10.1016 / j.proci.2014.05.021 .
- ^ Джонс, Джон Клиффорд (сентябрь 2003 г.). «Низкотемпературное окисление». Безопасность углеводородных процессов: текст для студентов и профессионалов . Талса, ОК: PennWell. С. 32–33. ISBN 978-1-59370-004-1.
- ^ Джордж Э. Тоттен; Стивен Р. Уэстбрук; Раджеш Дж. Шах, ред. (2003). Справочник по горюче-смазочным материалам: технологии, свойства, характеристики и испытания . ASTM International. п. 73. ISBN 0-8031-2096-6.
дальнейшее чтение
- Питер Грей; Стивен К. Скотт (1994). Химические колебания и нестабильности: нелинейная химическая кинетика . Издательство Оксфордского университета. стр. 429 и сл. ISBN 0-19-855864-3. - объяснение колебательной природы холодного пламени.