Láng elöl

A tűz összetett jelenség, amely addig terjed, amíg meg nem rendelkezik az önfenntartásához szükséges anyagokkal (üzemanyag és oxidálószer). A láng az a hely, ahol az égés fizikai és kémiai reakciói lejátszódnak .

A tűz terjedése a következők fogalmának meghatározásához vezet:

• tűz előtt , vagy lángfelület , abban az esetben az erdőtüzek  ;
• lángfront , elsősorban premix láng esetén használják .

A lángfront egy vékony terület, ahol az égés zajlik; két közeget választ el: az üzemanyagot tartalmazó közeget és az égés során keletkező termékeket (valamint diffúziós láng esetén az oxidálószert) tartalmazó közeget .

A premix esetében a lángfront vizsgálata alapvető fontosságú az ipari és a polgári biztonsági területeken  :

• Meghatározza a belső égésű motorok , égők (tehát kazánok, sütők) stb. Hatékonyságát .
• Segít megelőzni a baleseteket vagy korlátozni azok következményeit: a láng emelkedése a csőben, a katasztrofális terjedés ( a tűz gyors terjedése , robbanás ).

Diffúziós láng

Abban az esetben, a diffúziós láng , a láng előtt is elválasztja a tüzelőanyag az oxidálószer.

Gyertya példa

A gyertya (vagy olajlámpa) láng tipikus esetben a "kék láng" (az oxidálószerben gazdag láng zónája) megközelítőleg egy kúp, amelynek alapja  4 mm sugarú (  8 mm átmérőjű).

E kúp belsejében a gyertya ( sztearin ) „viasza” a hő hatására megolvad, a kanócban előrehalad, majd elpárolog  ; Az éghető gáz halad tovább diffúzió a láng felé frontra, ahol a villamos energiát.

Az oxidálószer , általában az oxigén a levegőben , a külső oldalon. Az oxigént a lángfront tölti fel, amely felé diffúzióval halad.

Forró égési gázok, könnyebbek, mint a levegő, felemelkednek egy felszállóban, vákuumot hozva létre a gyújtógyertya tövében, amely hűvös levegőt szív be, lehetővé téve az égés folytatását.

A molekulák diffúziója engedelmeskedik Fick törvényeinek . A hő egy részét a forró gázok konvekciója szállítja felfelé, egy másik részét vízszintesen továbbítja a hővezetés , amely engedelmeskedik a Fourier-törvénynek . Becslések szerint diffúzióval az üzemanyaggőz körülbelül 10  cm / s sebességgel halad .

Helyhez kötött állapot elérése esetén megbecsülhető, hogy a láng által termelt hőenergiát a sztearin fúziója és párolgása (belül látens fúziós és párolgási hő) veszi fel; kint a helyiség hőmérséklete állandó a szobától távol (a gyertya nem elegendő a szoba felmelegedéséhez).

A mikrogravitációs gyertyaláng esetében nincs konvekció . A láng félgömb alakú. A félgömbön kívül a reakció során keletkező forró gázok túlnyomást produkálnak: az ideális gáztörvény szerint a nyomás a hőmérséklettel együtt növekszik, de ott a hőmérséklet szobahőmérsékletről friss gázra változik ( 20  ° C körüli , vagyis 293  K körüli érték). ) körülbelül 1500  ° C-ra ( 1773  K ), a nyomást ezért megszorozzuk 6- mal. Ez egy „szelet” hoz létre, amely eltávolodik a lángtól; ez tehát lelassítja az oxidálószer diffúzióját.

Előkeverjük a lángot

Gáz nyugalomban

Amikor a gáz nyugalomban van a referenciakeretben (a megfigyelő nem lát gázáramlást, nincs szél), akkor általában gömb alakú lángunk van, a gömb középpontja a gyújtáspont. Gömb alakú láng is terjedhet a gömb belseje felé: a láng átterjedt a szoba kerületén, és a középpont felé terjed.

Egy csőben a gömböt "elvágják" a falak, és ez egy sapka, amely terjed; egy bizonyos megtett távolság végén a sugár nagyon nagy lesz, és a sapka laposnak tűnik, azonban a falak szintjén deformáció van.

Egy csőben tehát megbecsülhetjük, hogy van egy sík lángfrontunk. Ez a lángfront két zónát választ el:

• egyrészt friss gáz, előkevert üzemanyag és oxidálószer, szobahőmérsékleten (kb. 20  ° C , azaz 293  K );
• a másik oldalon az égett gázok magas hőmérsékleten (kb. 1800  ° C , vagy kb. 2073  K ).

Mivel a reaktánsok már érintkezésben vannak, a hő terjedése határozza meg a lángfront fejlődését. Ezt Fourier törvénye adja .

Ha D T a termikus diffúziós együttható és τ a reakcióidő (a reakciósebesség fordítottja ), akkor az u L láng elülső sebessége :

uL≃DTτ{\ displaystyle u _ {\ mathrm {L}} \ simeq {\ sqrt {\ frac {\ mathrm {D_ {T}}} {\ tau}}}}

és az e lángvastagság

e≃τ⋅DT{\ displaystyle e \ simeq {\ sqrt {\ tau \ cdot \ mathrm {D_ {T}}}}}

Nagyságrenddel rendelkezünk egy friss gáz környezeti hőmérsékleten  :

• D T ≃ 0,4  cm 2 / s  ;
• τ ≃ 4 × 10 −4  s  ;
• e ~ 0,13  mm  ;
• u L ≃ 32  cm / s (kb. 1  km / h ).

(Lásd Boyer 67. és azt követő oldalai.) Az 1 / τ reakciósebesség Arrhenius-törvényt követ , arra következtetünk, hogy az elülső sebesség formája

uL=u0⋅exp⁡(-ENÁL NÉL2kT){\ displaystyle u _ {\ mathrm {L}} = u_ {0} \ cdot \ exp \ left (- {\ frac {\ mathrm {E_ {A}}} {2k \ mathrm {T}}} \ jobbra) }

ahol E A az aktiválási energia , k a Boltzmann-állandó és T a friss gáz abszolút hőmérséklete.

Előkevert gáz áramlása

jegyzet Az egész szakaszban a sebesség és a mozdulatlanság fogalma a laboratórium referenciaértékéhez viszonyul, a Földön álló álló megfigyelőhöz viszonyítva. Az x tengely a friss gáztól a füstgázig, a forrástól a kimenetig van irányítva.

Gyakran van gázáram-ellátás.

Tekintsük a cső esetét. Ha a gáz helyhez kötött, a láng front sík és folyamatokat ütemben - u L .

Ha egy gáz áramlását v g sebességnél kisebb, mint u L ,

u L > v g ,

akkor a láng mindig a forrás felé halad, de lassabban, sebességgel (( u L - v g ).

Ha a friss gáz sebessége megegyezik a láng sebességével

u L = v g

akkor a láng mozdulatlan marad a csőben. Ez az eset azért érdekes, mert egyrészt lehetővé teszi a lángfront egyszerű tanulmányozását, mivel mozdulatlan, másrészt lehetővé teszi az égett gázok kilökési sebességének egyszerű kiszámítását. Valójában a csőben nem halmozódhat fel gáz; a t idő alatt a reakció u L ⋅ S 0 ⋅ t térfogatot emészt fel , és k- szor nagyobb gázmennyiséget termel ; k értéke 6 vagy több. A kidobási sebesség tehát

ve=k⋅uL{\ displaystyle v_ {e} = k \ cdot u_ {L}}

ezért a gázokat az elülső sebességnél legalább hatszor nagyobb sebességgel, 200  cm / s nagyságrendű (kb. 7  km / h ) sebességgel dobják ki .

Ha a friss gáz sebessége nagyobb, mint a láng sebessége

u L < v g ,

majd a láng a kijárat felé halad. Mérsékelt sebesség esetén van egy kúpos lángunk, amely továbbra is a kampóhoz van kötve.

Valójában egy csőben áramló áramlás esetén a gázt folyadék súrlódásnak vetik alá a falakkal, ezért a szél szélénél lassabb, mint a közepén. Van tehát egy hely, ahol a folyadék sebessége megegyezik a láng sebességével; a láng ezért mozdulatlan marad ott, és megakadályozza a láng kifújását.

Kúpos láng

A kúpos alak tehát a friss gáz sebességgradiensének köszönhető, amely a cső közepe és az éle között folyadék súrlódásnak van kitéve. Ez nem tökéletes kúp, de ezt az egyszerűsítő feltevést megfogalmazzuk.

Az álló síkláng ( u L = v g ) esetén a lángfront felületének a cső S 0 szakasza van . A fogyasztás friss gáz elégetésével egyenlő a gáz áramlási

D=vg⋅S0=uL⋅S{\ displaystyle \ mathrm {D} = v _ {\ mathrm {g}} \ cdot \ mathrm {S} _ {0} = u _ {\ mathrm {L}} \ cdot \ mathrm {S}}.

A kúpos láng felülete nagyobb. Ha α a félszög a tetején, akkor a lángfront S felülete érdemes (vö. Kúp (geometria)> Forgáskúp esete ):

S=S0bűn⁡α{\ displaystyle \ mathrm {S} = {\ frac {\ mathrm {S} _ {0}} {\ sin \ alpha}}}

A gázfogyasztás értéke u L ⋅S (a lángfront sebessége változatlan marad), és meg kell egyeznie az áramlással:

D=uL⋅S=vg⋅S0{\ displaystyle \ mathrm {D} = u _ {\ mathrm {L}} \ cdot \ mathrm {S} = v _ {\ mathrm {g}} \ cdot \ mathrm {S} _ {0}}

van

uL⋅S0bűn⁡α=vg⋅S0{\ displaystyle u _ {\ mathrm {L}} \ cdot {\ frac {\ mathrm {S} _ {0}} {\ sin \ alpha}} = v _ {\ mathrm {g}} \ cdot \ mathrm { S} _ {0}}

és aztán

bűn⁡α=uLvg{\ displaystyle \ sin \ alpha = {\ frac {u _ {\ mathrm {L}}} {v _ {\ mathrm {g}}}}}

itt azt találjuk, hogy minél nagyobb az áramlás, annál inkább kúposodik a láng. Az áramlási sebesség növekedését a láng nyújtása kompenzálja, amely megnöveli az elülső felületet, ami a fogyasztás és ezáltal a hőteljesítmény növekedését okozza.

Amíg a friss gáz áramlása a cső tengelyében van, az égett gázok "átlósan" távoznak. Valóban, ha egy sík elejét vesszük figyelembe, a gázok erre a síkra merőlegesen távoznak; itt ezek sebessége a friss gáz kezdeti sebességének és a kúp felületére merőleges kipufogógáz-sebesség vegyülete. Ezután a pálya görbék függőlegessé válnak (Arkhimédész tolásával)

Turbulens áramlás

Abban az esetben, a turbulens áramlás , a turbulencia deformálódik a láng front. Különösen az akadály által létrehozott örvények ( örvények ) ( allée de Bénard-Von Karman ) deformálják az elülső részt, amikor keresztezik azt, és „redős” frontot eredményeznek. Nagy örvények szélsőséges eseteiben lehet egy lángfront, amely az örvény körül kanyarog, így nagyon nagy felületet biztosít.

A ráncosodás megnöveli a lángfront felületét, és mint egy kúpos láng esetében, ez a gázfogyasztás növekedését, tehát a hőteljesítmény növekedését eredményezi.

Az égő, a kazán és a reaktor tömörsége érdekében ezért előnyös a lehető legnagyobb turbulens áramlást biztosítani annak érdekében, hogy egy adott térfogatnál a legnagyobb láng homlokfelülete legyen (lásd: Specifikus felület ). Ez lehetővé teszi a teljesítmény / térfogat arány, valamint a teljesítmény és a súly növelését, ami elengedhetetlen a repülésnél.

Ezenkívül egy akadály jelenléte az áramlásban az áramlás előtti áramlást lelassítja, ezért lángtartót képez.

A turbulenciát a gáz falakon és akadályokon való súrlódása hozza létre. A turbulencia jelenlétét tehát a folyadék sebessége és viszkozitása , a sebességváltozások továbbításának képessége határozza meg. Úgy tűnik, ha a Reynolds-szám R e magas, azaz, ha a sebessége nagy. Ezért itt is az áramlási sebesség növekedése okozza a teljesítmény növekedését.

Az elülsík stabilitása A láng dala

Bibliográfia

 : a cikk forrásaként használt dokumentum.

• Louis Boyer , Feu et flammes , Párizs, Belin, koll.  "A tudományért",2006, 189  o. ( ISBN  2-7011-3973-2 )

Megjegyzések és hivatkozások

1. A színek eltolódnak, hogy felerősítsék a láng különbségeit.
2. Boyer p. 62
3. Ha az ideális gázegyenletet alkalmazzuk, akkor megvan k=NEMbNEMf⋅TbTf{\ displaystyle k = \ mathrm {\ frac {N_ {b}} {N_ {f}}} \ cdot \ mathrm {\ frac {T_ {b}} {T_ {f}}}} ahol N b a molekulák száma elégett gáz keletkezik, N f a molekulák számát a friss gáz fogyasztott, és a T b és T f az abszolút hőmérséklet a leégett és friss gázokat, illetve; metán elégetése esetén N b = N f , és a hőmérséklet-arány jellemzően 6