Пламя и его классификация, зоны, температура и цвет

Алан-э-Дейл       22.04.2022 г.

Классификация пламени

Классифицируют свечение огня следующим образом.

  1. По восприятию визуальному: цветные, прозрачные, коптящие.
  2. По высоте: короткие и длинные.
  3. По скорости распространения: быстрые и медленные.
  4. По температурному показателю: высокотемпературные, низкотемпературные, холодные.
  5. По характеру перемещения среды реакционной: пульсирующие, турбулентные, ламинарные.
  6. По состоянию горючей среды: предварительно перемешанные и диффузионные.
  7. По излучению: бесцветные, окрашенные, светящиеся.
  8. По агрегатному состоянию горючих веществ: пламя аэродисперсных и твёрдых реагентов, жидких и газообразных.

В диффузном ламинарном пламени выделяют три оболочки (зоны). Внутри конуса пламени существует:

  • зона тёмная, где нет горения из-за малого количества окислителя — 300−350 градусов;
  • зона светящаяся, где осуществляется термическое разложение горючего и оно сгорает частично — 500−800 градусов;
  • зона слегка светящаяся, где окончательно сгорают продукты разложения горючего и достигается максимальный температурный показатель в 900−1500 градусов.

Температурный параметр пламени зависит от интенсивности подвода окислителя и природы горючего вещества. Пламя распространяется по предварительно перемешанной среде. Происходит распространение по нормали от каждой точки фронта к поверхности пламени.

По реально существующим смесям газовоздушным распространение всегда осложнено возмущающими внешними воздействиями, которые обусловлены трением, конвективными потоками, силами тяжести и прочими факторами.

Именно из-за этого реальная скорость распространения от нормальной всегда отличается. В зависимости от того, какой характер носит скорость распространения, различают такие диапазоны:

  1. При горении детонационном — более 1000 метров в секунду.
  2. При взрывном — 300−1000.
  3. При дефлаграционном — до 100.

Физика процесса

Огнём называют бурное окисление материалов в процессе необратимой экзотермической реакции с выделением энергии в виде тепла и света. Огонь возникает как результат воспламенения горючего при достаточном количестве кислорода, позволяющем поддерживать скорость окисления на уровне цепной реакции. Пламя — видимая газообразная часть огня. Над жидкостью оно возникает в результате её испарения, над твёрдым топливом благодаря выделению из него горючего газа в процессе пиролиза.

Огонь – бурное окисление материалов в процессе необратимой экзотермической реакции с выделением энергии в виде тепла и света

Доминирующий цвет пламени меняется с температурой открытого огня. Хорошей иллюстрацией этого явления может быть горение традиционного костра. Рядом с дровами, где происходит самая бурная реакция, огонь белый, переходящий в жёлтый. Над этой областью цвет меняется на оранжевый, маркирующий зону, в которой холоднее. Следующий, ещё более холодный участок — красный. Над ним реакция практически не происходит, а выше можно наблюдать такие несгоревшие частицы углерода как дым. Диапазон температур горения костра в соответствии с цветовой гаммой выглядит так:

  • едва заметный красный — 500°C;
  • вишнёвый тёмный — 800°C;
  • вишнёво-красный яркий —1000°C;
  • глубокий красно-оранжевый — 1100°C;
  • яркий оранжево-жёлтый — 1200°C;
  • белесовато-жёлтый — 1300°C;
  • яркий белый 1400°C;
  • ослепительно белый — 1500°C.

Бензиновая зажигалка

Бензин испаряется относительно медленно и поэтому ему не требует герметичной емкости. Корпус ёмкости чаще всего у бензиновой зажигалки выполняется из металла, зачастую с дизайнерским оформлением… иногда доходящих до коллекционных моделей с драгоценными камнями, из золота и т.п. В бензиновых зажигалках горят пары бензина. Температура пламени может достигать 1300—1400 °С. Для подачи бензина используется сменный фитиль в виде хлопкового жгутика и волокнистый наполнитель для поглощения бензина и предотвращения его утечки.

Бензиновая зажигалка марки Ronson

Для первичного поджига бензина используются несколько принципов:

  • принцип огнива: искрообразование от стружки пирофорных сплавов (ферроцерия), образующейся от трения о кремень
  • каталитический поджиг паров органических веществ. Последний способ используется в каталитической грелке

Горение пламени продолжается до тех пор, пока не будет закрыта верхняя часть корпуса. Защита сопла зажигалки изготавливается из металла с отверстиями. Защита предназначена для для смешивания топлива и воздуха, и в то же время делая зажигалку менее чувствительной к ветру. Долговечность и высокая надежность, являются главными плюсами бензиновых зажигалок. Плюсом может быть и то, что можно зажечь зажигалку одной рукой. С такими зажигалками показывают различные трюки, что для некоторых тоже является плюсом. Есть и минусы

  • цена. Как на саму зажигалку, так и на расходники для неё (специальны бензин, фитиль, кремни, сменная вата).
  • запах бензина, который обязательно будет сопровождать каждое прикуривание (при качественном бензине не такой уж и сильный)… А также будут пахнуть руки и карманы.
  • довольно частая дозаправка. Полной заправки бензиновой зажигалки хватает всего на 3-5 дней, в зависимости от интенсивности использования.
  • Вес. Несмотря на то, что многими считается, что «вес — это надежность», не очень удобно держать в кармане, например, легких летних шорт увесистый металлический кирпичик
  • Опасность использования. В отличие от газовой зажигалки, бензиновая зажигалка не гаснет сама по себе, например, при падении, и продолжает гореть. Также невозможно отрегулировать интенсивность горения в «полевых» условиях (возможно только подрезанием и вытягиванием фильтра), и этот маленький костёр норовит обжечь лицо при прикуривании во время ветра.
  • Слабая петелька. Постоянное открывание/закрывание крышки зажигалки приводит к тому, что петелька разбалтывается и крышка перестаёт плотно прилегать к корпусу, в результате бензин испаряется быстрее.

Как измерить крепость взвешиванием?

Такую проверку можно провести только в том случае, если у вас есть электронные весы. Вначале нужно взвесить тару (или поставить ее на тарелочку весов, включить их, при этом они покажут 0). Влить в эту тару ровно 1 литр самогона. Измерить это количество поможет мерный стакан, большинство из которых не может претендовать на абсолютную точность. И посмотреть на показания весов.

Литр водки крепостью 40° весит 953 грамма ровно! Если меньше – крепость выше (спирт легче, чем вода), вес больше – соответственно, крепость ниже. Да вы, наверное, и сами замечали: когда берешь в руки трехлитровую банку с высокоградусным самогоном, ощущаешь ее непривычную легкость.

Зоны пламени

Рассматривая, какое строение имеет пламя, выделяют три зоны: во-первых, предварительную, где начинается нагрев смеси, выходящей из отверстия горелки. После нее идет зона, где совершается процесс горения. Эта область захватывает верх конуса. Когда не хватает притока воздуха, сгорание газа идет частично. При этом образовываются оксид углерода и остатки водорода. Их горение происходит в третьей зоне, где присутствует хороший доступ кислорода.

Для примера представим строение пламени свечи.

Схема горения включает:

  • первую — темную зону;
  • вторую – зону свечения;
  • третью — прозрачную зону.

Нитка свечи не поддается горению, а только совершается обугливание фитиля.

Строение пламени свечи представляет собой раскаленный поток газа, поднимающийся вверх. Процесс начинается с нагревания, пока не происходит испарение парафина. Зону, прилежащую к нити, именуют первой областью. Она имеет незначительное свечение голубого оттенка из-за избытка количества горючего материала, но малого поступления кислорода. Тут происходит процесс частичного сгорания веществ с образованием чадного газа, который затем окисляется.

Первую зону охватывает светящаяся оболочка. В ней находится достаточный объем кислорода, который способствует окислительной реакции. Именно здесь при интенсивном накаливании частичек оставшегося топлива и угольных частичек наблюдается эффект свечения.

Вторая зона охвачена чуть заметной оболочкой с высокой температурой. В нее проникает много кислорода, что содействует полному сгоранию топливных частичек.

Цвет пламени[ | ]

различный вид горелки Бунзена зависит от притока кислорода: 1. богатая топливная смесь без предварительного смешивания с кислородом (подача кислорода закрыта) горит жёлтым коптящим рассеянным пламенем 2. подача воздуха снизу почти перекрыта 3. открыта в средней мере: смесь близка кстехиометрической 4. подача воздуха максимальная:бедная смесь Цвет пламени определяется излучением электронных переходов (например, тепловым излучением) различных возбужденных (как заряженных, так и незаряженных) частиц, образующихся в результате химической реакции между молекулами горючего и кислородом воздуха, а также в результате термической диссоциации. В частности, при горении углеродного горючего в воздухе, синяя часть цвета пламени обусловлена излучением частиц CN±n, красно-оранжевая — излучением частиц С2±n и микрочастиц сажи. Излучение прочих образующихся в процессе горения частиц (CHx±n, H2O±n, HO±n, CO2±n, CO±n) и основных газов (N2, O2, Ar) лежит в невидимой для человеческого глаза и части спектра. Кроме того, на окраску пламени сильно влияет присутствие в самом топливе, деталях конструкции горелок, сопел и так далее соединений различных металлов, в первую очередь натрия. В видимой части спектра излучение натрия крайне интенсивно и ответственно за оранжево-желтый цвет пламени, при этом излучение чуть менее распространенного калия оказывается на его фоне практически не различимым (поскольку большинство организмов имеют в составе клеток K+/Na+ каналы, то в углеродном горючем растительного или животного происхождения на 3 атома натрия приходится в среднем 2 атома калия).

Температура горения и отдача тепла

Эти два параметра связаны, чем выше температура горения дров в печи или твердотопливном котле, тем больше тепла выделяется. Однако каждый, кому как то приходилось топить печь различными древесными породами, замечал, что одни дрова ярко пылают, выделяя невыносимый жар, а иные вяло горят и тепла дают крайне мало.

Проблема в том, что разнообразные породы дерева имеют разную температуру горения и удельную теплотворность.

Чтобы понимать, как велика разница эта, ниже предлагается таблица температуры горения разных древесных пород в оптимальных условиях. Вы спросите – прекрасные условия – это какие? Собственно, их три:

  • древесина имеет в себе минимум влаги;
  • процесс идет в пространстве закрытого типа;
  • в территорию горения подается собственно столько кислорода, сколько нужно для настоящего сжигания.

Для справки. Дуб, бук и лиственница считаются дорогими породами древесины, в качестве основополагающего топлива они применяются чрезвычайно редко. Разве что их отходы в виде стружки, опилок и горбылей.

Как мы уже говорили выше, данные будут неполными, если не представить удельную теплоту сгорания каждой из пород. Ниже в таблице показаны значения отдачи тепла дров, выраженные в самых разных единицах и в отношении к весу и объему топлива:

Все табличные данные являются справочными и пригодятся для приблизительного расчета количества топлива, что делается с большим запасом. Еще по ним можно догадаться, что дуб и береза горят существенно жарче, чем тополь и ольха, а поэтому отдадут больше энергии тепла. Но таблицы не могут представлять функциональную ценность для простого хозяина дома, ведь условия сжигания в реальности далеки от прекрасных.

В реальности температура горения дерева в самых разных печах и каминах никогда не может достигать значений, перечисленных в таблице. Для этого необходимо, чтобы дрова были полностью сухими, чего не бывает в жизни, люди сжигают в камере сгорания такое горючее, какое у них имеется в наличии. Уменьшается температура и от минуса кислорода. Детальнее данные вопросы мы будем рассматривать ниже.

Характеристики и свойства пламени

Пламя является раскалённой газообразной средой и распространяется снизу-вверх. Это происходит потому, что тёплый воздух становится менее плотным. Нагреваясь, он устремляется вверх и увлекает за собой огонь. Поэтому растопку костра (печи) начинают снизу. Потому что подожжённая на самой вершине лучина не будет распространять огонь вниз, и он затухнет.

Совсем по-другому ведёт себя пламя в невесомости. Ввиду отсутствия гравитации оно распространяется сразу во все стороны и потому имеет форму шара. Причём он светится ярким голубым цветом, но только до тех пор, пока рядом есть кислород. Как только последний выгорает, огонь переходит в «холодную» стадию, незаметную для глаза. Причём длится она несколько минут. А если к невидимому очагу подвести кислород, то яркое горение возобновляется.

От чего зависит температура горения

Есть несколько основных факторов, оказывающих влияние на рассматриваемый показатель:

Конструкционные особенности и сфера применения прибора. Устройство, служащее для использования в быту, к примеру горелка на газовом баллончике, способно создавать факел с минимальным порогом нагрева. В противоположность бытовым устройствам есть профессиональные производственные горелки, способные выдавать максимальную температуру горения.
Мощность. Прибор, имеющий мощность в пределах 700 Вт, предназначается для плавки деталей из металла с небольшим размером, таких как медный провод. Устройства с мощностью до 1500 Вт легко справятся с листом металла толщиной до 3 миллиметров. А вот горелки с мощностью до 3 кВт способны расплавить металлический предмет или лист толщиной до полутора сантиметров.
Состав топливной смеси. Кислород – главный компонент любого топлива и без него процесс горения невозможен. Другими компонентами смеси могут выступать различные газы, к примеру, пропан

Важно помнить, что смешивание и подбор топлива осуществляется исходя из типа устройства. При этом пропорции компонентов оказывают влияние на температуру сгорания.
Система обдува

Прибор с предусмотренным конструкцией обдувом может добавить температуре еще 700 градусов.

Показатели температуры факела будут различаться. И на каждой из частей факела она может различаться на сотни градусов.

Пламя горелки можно разделить на три части:

  1. Внутренняя. Она расположена у основания пламени. Здесь температура будет минимальной, а цвет факела будет иметь синеватый оттенок. В цифровом выражении температура у основания составляет порядка 300 градусов, а чуть выше основания этот показатель поднимается до отметки в 520 градусов. Здесь происходит лишь процесс нагревания пламени, а не горения.
  2. Средняя. Расположена сразу после основания, и именно здесь температура будет максимальной. Однако в середине пламени начинается такое явления как недостаток кислорода и образование продуктов распада. Среднее значение температурного режима в этой части факела составляет 1560 градусов.
  3. Окаймляющая (или как ее еще называют, окислительное пламя). Эта часть имеет самый высокий КПД. Замеры температуры в этом месте свидетельствуют о том, что она будет идентична значениям в средней части. Однако ближе к кончику факела значение теряет несколько десятков градусов. Для этого участка характерен наиболее светлый оттенок горения. По причине избытка воздуха газ полностью сгорает.

Температура пламени горелки

Фазы горения

По существу, деревья — экстракт энергии излучения Солнечного света. Листья растительности работают как маленькие фотоэлектрические батареи, поглощающие световую энергию, чтобы при помощи нее изменить воду, углекислый газ и минералы в органические вещества. Горение можно рассматривать как процесс обратный фотосинтезу. Поджигание дров высвобождает накопившуюся за время жизни растения энергию, выполняя её в виде большой температуры огня в костре. Горение древесины проходит три фазы:

  1. Влажностное испарение под температурным воздействием открытого пламени. Каждая древесина имеет влажность, после поджигания вода в ней закипает и выветривается через трещины. Потому как большая часть подводимого тепла тратится на парообразование, удачное поджигание либо просит сухих дров, либо приличного количества тепла. Первая фаза заканчивается при достижении древесиной 100°C.
  2. Температурное увеличение и газификация древесины. При 150 °C дерево начинает разлагаться на угли и летучие горючие вещества, комфортная температура для данного процесса — от 280°C. Воспламенение газов происходит при температуре между 260 и 315°C с будущим заметным пламенным горением. При 700°C и выше начинается процесс выделения и сжигания газов с большой теплотворной способностью. Фаза кончается с прекращением образования летучих горючих веществ.
  3. Углеродное горение. После выделения первичных и вторичных газов остаются углеродные цепи и несгораемые вещества. Углерод, или кокс, горит долго и без видимого пламени. Стадия кончается полным сгоранием твёрдых веществ в древесине до невоспламеняющейся золы.

Искусство истопника или разжигателя костров находится в знаниях и навыках, нужных для оснащения прекрасных условий протекания горения во всех трёх фазах: от поддержания температуры пламени костра до подачи нужного количества кислорода.

От чего может зависеть температура

Но плотность (порода) древесины не единственный момент, который определяет с какими градусами будут гореть дрова. Рассмотрим два основных фактора, которые значительно влияют на повышение теплоотдачи.

Влажность

У свежеспиленного дерева показатель влажности находится в среднем на отметке в 55%. Если такой ствол тут же разрубить на дрова и сразу закинуть их в печку, то большая часть выделенной тепловой энергии будет уходить на испарение влаги. Поэтому теплоотдача такого топлива значительно занижена и температура горения дерева в печи слишком поздно достигнет максимальных показателей.

Если другого горючего нет в наличии, то для обогрева помещения в зимний период придётся затратить вдвое больше таких дров. Но перерасход свежесрубленного топлива не единственный убыток в хозяйстве. Использование сырого материала повышает выделение сажи при сжигании. А значит чаще придётся обслуживать дымоход, причём возможно на морозе. Иначе производство тепла в печи упадёт до минимума.

Выброс сажи из дымоходаИсточник agronom.guru

Чтобы не впадать в финансовые затраты, экстренно покупая сухие дрова, заготовкой топлива необходимо заниматься заблаговременно. При этом нужно помнить, что расколотые поленья должны пролежать под навесом не меньше одного года. Только в этом случае их влажность опустится до 20%.

Следующая таблица позволит сравнить показатели теплоты сгорания у дров с влажностью 50% и древесины, пролежавшей год в штабеле под крышей.

Древесина Сосна Берёза Ель Осина Ольха Ясень
Сырая 1900 2371 1667 1835 1972 2550
Сухая 2166 2716 1902 2117 2244 2907

Подача воздуха

Снизить теплоотдачу дров можно, если ограничить поступление кислорода в очаг. Само собой, и температура горения берёзовых дров в печи заметно понизиться. Это произойдёт, если задвинуть заслонку, отвечающую за тягу. При этом время сгорания древесины увеличивается и происходит экономия топлива.

Догорающий очагИсточник ytimg.com

Так привыкли делать многие владельцы домов на печном отоплении. Но уменьшение теплоотдачи сказывается на тепле в помещении. Тогда заслонка открывается до отказа, чтобы экстренно повысить температуру сгорания топлива. И переизбыток воздуха является следствием, что буквально все тепло уходит в дымоход.

Поэтому при растопке печи опытным путём находится то положение заслонки, при котором кислород поступает в топку в должном количестве, чтобы обеспечить оптимальное горение топлива. Но проблема нехватки воздуха или его избыток не единственная. Если в поддувало подаётся слишком холодный воздух, это приводит к тому, что он отнимает часть тепла.

Решением может стать обустройство специального канала, в котором поступающий в топку кислород будет подогреваться от стен топливника.

Видео описание

В этом видео наглядно о том, какая температура в мангале на углях и как добиться максимального огня даже не используя силу тяги:

https://youtube.com/watch?v=bN35Ne53nFY

Коротко о главном

Подводя итоги можно понять, чтобы добиться максимальной теплоотдачи от сжигаемых дров, необходимо:

  • Подбирать древесину с наибольшей плотностью.
  • Подготавливать дрова заранее, занимаясь распиловкой стволов и разрубкой поленьев.
  • Понижать влажность в древесине, выдерживая её в штабелях под навесом в течение минимум одного года.
  • При сжигании в печи обеспечить к огню приток кислорода в необходимом количестве, стараясь не превышать требуемый порог.

Соблюдение всех заданных условий будет гарантом, что температура сгорания древесины достигнет своего максимального значения, но не пропадёт в дымоходе. При разумном подходе вся теплоотдача останется в жилом помещении и оптимально его обогреет.

Пожарная опасность ГЖ


Пожарные свойства ЛВЖ.

Пожарная опасность веществ и материалов заключается в их способности формировать легковоспламеняющуюся среду, которая впоследствии может вызвать взрыв.

Пожары, причинами которых является горение легковоспламеняющихся веществ, принято считать сложными для тушения и прогно-зирования развития.

Список возможных опасностей ГЖ:

  • разлив ЛВЖ стремительно распространяется на территории возгорания;
  • при отсутствии изоляции вероятны обвалы резервуаров хранения;
  • объемное возгорание воздействует на несущие конструкции здания;
  • многие ГЖ при контакте с воздухом или другими веществами вызывают взрыв или усиливают пожар;
  • ГЖ могут быть совсем бесцветными и незаметными (например, газы), что усложняет локализацию возгорания.

Механизм

Зоны в пламени свечи

Цвет и температура пламени зависят от типа топлива, участвующего в горении, как, например, когда зажигалка подносится к свече. Приложенное тепло вызывает испарение молекул топлива в воске свечи (если этот процесс происходит в инертной атмосфере без окислителя , это называется пиролизом ). В этом состоянии они могут легко реагировать с кислородом воздуха, который выделяет достаточно тепла в последующей экзотермической реакции для испарения еще большего количества топлива, таким образом поддерживая постоянное пламя. Высокая температура пламени заставляет молекулы испаренного топлива разлагаться , образуя различные продукты неполного сгорания и свободные радикалы , и эти продукты затем вступают в реакцию друг с другом и с окислителем, участвующим в реакции следующего пламени (пожара). Можно исследовать все различные части пламени свечи с помощью холодной металлической ложки: более высокие части — это водяной пар, конечный результат горения; желтые участки посередине — копоть; рядом с фитилем свечи лежит несгоревший воск. Достаточная энергия в пламени будет возбуждать электроны в некоторых промежуточных продуктах реакции, таких как метилидиновый радикал (CH) и двухатомный углерод (C 2 ), что приводит к излучению видимого света, поскольку эти вещества выделяют свою избыточную энергию (см. Спектр ниже для объяснения того, какие конкретные радикальные виды дают какие конкретные цвета). По мере того, как температура горения пламени увеличивается (если пламя содержит мелкие частицы несгоревшего углерода или другого материала), увеличивается и средняя энергия электромагнитного излучения, испускаемого пламенем (см. Черное тело ).

Другие окислители, помимо кислорода, могут быть использованы для получения пламени. При сжигании водорода в хлоре образуется пламя, и в процессе сгорания выделяется газообразный хлористый водород (HCl). Еще одна из многих возможных химических комбинаций — это гидразин и тетроксид азота, который является гиперголичным и обычно используется в ракетных двигателях. Фторполимеры можно использовать для подачи фтора в качестве окислителя металлического топлива, например, в композиции магний / тефлон / витон .

В химической кинетике , происходящая в пламени является очень сложной и обычно включает в себя большое количество химических реакций и промежуточных видов, большинство из них радикалов . Например, хорошо известная схема химической кинетики GRI-Mech использует 53 вида и 325 элементарных реакций для описания горения биогаза .

Существуют разные методы подачи необходимых компонентов горения в пламя. В диффузионном пламени кислород и топливо диффундируют друг в друга; пламя возникает там, где они встречаются. В предварительно смешанном пламени предварительно смешивают кислород и топливо, что приводит к другому типу пламени. Пламя свечи (диффузное пламя) действует за счет испарения топлива, которое поднимается в ламинарном потоке горячего газа, который затем смешивается с окружающим кислородом и сгорает.

Гость форума
От: admin

Эта тема закрыта для публикации ответов.