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Llama fría

Una llama fría es una llama que tiene una temperatura típica de aproximadamente 400 °C (752 °F). [1] A diferencia de una llama caliente común, la reacción no es vigorosa y libera poco calor, luz o dióxido de carbono . Las llamas frías son difíciles de observar y son poco comunes en la vida cotidiana, pero son responsables del golpeteo del motor : la combustión indeseable, errática y ruidosa de combustibles de bajo octanaje en motores de combustión interna . [2] [3] [4]

Historia

Las llamas frías fueron descubiertas accidentalmente en la década de 1810 por Sir Humphry Davy , quien insertó un alambre de platino caliente en una mezcla de aire y vapor de éter dietílico. "Cuando el experimento sobre la combustión lenta del éter se realiza en la oscuridad, se percibe una luz fosforescente pálida sobre el alambre, que por supuesto es más clara cuando el alambre deja de estar encendido. Esta apariencia está relacionada con la formación de una sustancia volátil acre peculiar que posee propiedades ácidas". [5] : 79  Después de notar que ciertos tipos de llamas no quemaban sus dedos ni encendían una cerilla, también descubrió que esas llamas inusuales podían transformarse en llamas calientes y que, a ciertas composiciones y temperaturas, no requerían una fuente de ignición externa, como una chispa o un material caliente. [2] [5] [6]

Harry Julius Emeléus fue el primero en registrar sus espectros de emisión, y en 1929 acuñó el término "llama fría". [7] [8]

Parámetros

Las llamas frías pueden ocurrir en hidrocarburos , alcoholes , aldehídos , aceites , ácidos , ceras , [9] e incluso metano . La temperatura más baja de una llama fría está mal definida y se establece convencionalmente como una temperatura a la que la llama puede detectarse a simple vista en una habitación oscura (las llamas frías son apenas visibles a la luz del día). Esta temperatura depende ligeramente de la relación combustible-oxígeno y depende fuertemente de la presión del gas: hay un umbral por debajo del cual no se forma una llama fría. Un ejemplo específico es 50% n- butano –50% oxígeno (por volumen) que tiene una temperatura de llama fría ( CFT ) de aproximadamente 300 °C (572 °F) a 165 mmHg (22,0 kPa). Una de las CFT más bajas (156 °C (313 °F)) se informó para una mezcla de C2H5OC2H5 + O2 + N2 a 300 mmHg (40 kPa ). [10] La CFT es significativamente menor que la temperatura de autoignición (AIT) de la llama convencional (ver tabla [8] ). [2]

Los espectros de las llamas frías constan de varias bandas y están dominados por las azules y violetas, por lo que la llama suele aparecer azul pálido. [11] El componente azul se origina a partir del estado excitado del formaldehído (CH 2 O*) que se forma a través de reacciones químicas en la llama: [8]

CH 3 O• + •OH → CH 2 O* + H 2 O
CH3O • + CHnO • → CH2O * + CHnOH

Una llama fría no se enciende instantáneamente después de que se aplican la presión y la temperatura umbral, sino que tiene un tiempo de inducción. El tiempo de inducción se acorta y la intensidad de la luminiscencia aumenta con el aumento de la presión. Con el aumento de la temperatura, la intensidad puede disminuir debido a la desaparición de los radicales peróxido necesarios para las reacciones de luminiscencia mencionadas anteriormente. [8]

Se han establecido llamas de difusión fría estables y autosostenidas añadiendo ozono a la corriente de oxidante. [12]

Mecanismo

Mientras que en una llama caliente las moléculas se descomponen en fragmentos pequeños y se combinan con el oxígeno produciendo dióxido de carbono (es decir, se queman), en una llama fría, los fragmentos son relativamente grandes y se recombinan fácilmente entre sí. Por lo tanto, se libera mucho menos calor, luz y dióxido de carbono; el proceso de combustión premezclada es oscilatorio y puede mantenerse durante mucho tiempo. Un aumento típico de temperatura tras la ignición de una llama fría es de unas pocas decenas de grados Celsius, mientras que es del orden de 1.000 °C (1.830 °F) para una llama caliente. [2] [13]

La mayoría de los datos experimentales se pueden explicar mediante el modelo que considera la llama fría como una reacción química lenta en la que la tasa de generación de calor es mayor que la de pérdida de calor. Este modelo también explica el carácter oscilatorio de la llama premezclada fría: la reacción se acelera a medida que produce más calor hasta que la pérdida de calor se vuelve apreciable y extingue temporalmente el proceso. [11]

Llamas de difusión frías

A diferencia de una llama premezclada fría, una llama de difusión fría (CDF) arde en presencia de un gradiente de relación de equivalencia. Las CDF se observaron por primera vez en 2012 en experimentos con gotas a bordo de la Estación Espacial Internacional. [14] Desde entonces, se han observado CDF en llamas esféricas de microgravedad que queman gotas y gases [15] y en contraflujo de gravedad normal [12] y llamas estratificadas. [16]

Aplicaciones

Las llamas frías pueden contribuir al golpeteo del motor , la combustión indeseable, errática y ruidosa de combustibles de bajo octanaje en motores de combustión interna. [2] En un motor de encendido por chispa normal, el frente de llama premezclado caliente se desplaza suavemente en la cámara de combustión desde la bujía, comprimiendo la mezcla de combustible y aire que se encuentra delante. Sin embargo, el aumento concomitante de presión y temperatura puede producir una llama fría en la última mezcla de combustible y aire no quemada (los llamados gases finales) y participar en la autoignición de los gases finales.

Esta repentina liberación localizada de calor genera una onda de choque que viaja a través de la cámara de combustión, y su aumento repentino de presión provoca un sonido de golpeteo audible. Peor aún, la onda de choque altera la capa límite térmica en la superficie del pistón, lo que provoca un sobrecalentamiento y, finalmente, su fusión. La potencia de salida disminuye y, a menos que se corte el acelerador (o la carga) rápidamente, el motor puede sufrir daños como se describe en unos pocos minutos. La sensibilidad de un combustible a una ignición con llama fría depende en gran medida de la temperatura, la presión y la composición.

El inicio del proceso de detonación por llama fría es probable solo en condiciones de operación muy limitadas, ya que las llamas frías se observan a bajas presiones. En condiciones de operación normales, la autoignición ocurre sin ser activada por una llama fría. Mientras que la temperatura y la presión de la combustión están determinadas en gran medida por el motor, la composición puede ser controlada por varios aditivos antidetonantes. Estos últimos apuntan principalmente a eliminar los radicales (como el CH2O * mencionado anteriormente) suprimiendo así la fuente principal de la llama fría. [17]

Véase también

Referencias

  1. ^ Lindström, B.; Karlsson, JAJ; Ekdunge, P.; De Verdier, L.; Häggendal, B.; Dawody, J.; Nilsson, M.; Pettersson, LJ (2009). "Reformador de combustible diésel para aplicaciones de celdas de combustible para automóviles" (PDF) . Revista internacional de energía del hidrógeno . 34 (8): 3367. doi :10.1016/j.ijhydene.2009.02.013. Archivado desde el original (PDF) el 2011-06-08 . Consultado el 2010-05-18 .
  2. ^ abcde Pearlman, Howard; Chapek, Richard M. (1999). Llamas frías y autoignición: teoría de la combustión por ignición térmica validada experimentalmente en microgravedad. NASA . p. 142. ISBN 978-1-4289-1823-8.Versión web en NASA Archivado el 1 de mayo de 2010 en Wayback Machine.
  3. ^ Gray, Peter; Scott, Stephen K. (1994). Oscilaciones químicas e inestabilidades: cinética química no lineal. Oxford University Press. pág. 437. ISBN 978-0-19-855864-4.
  4. ^ Scott, Stephen K. (1993). Caos químico. Oxford University Press. pág. 339. ISBN 978-0-19-855658-9.
  5. ^ ab Davy, H. (1817) "Algunos nuevos experimentos y observaciones sobre la combustión de mezclas gaseosas, con una descripción de un método para preservar una luz continua en mezclas de gases inflamables y aire sin llama", Philosophical Transactions of the Royal Society of London , 107  : 77-86.
  6. ^ Posteriormente, otros investigadores también observaron llamas frías:
    • Miller, HB (1826) "Sobre la producción de ácido acético, en algunos experimentos originales con sustancias metálicas y no metálicas sobre éter, alcohol, etc.", Anales de filosofía , nueva serie, 12 : 17-20. Página 19: "La punta de la varilla de vidrio sostenida sobre el éter emite la llama azul desde toda su superficie; ácido acético formado en abundancia."
    • (Döbereiner) (1834) "Sauerstoffabsorbor des Platins" (Absorción de oxígeno por el platino), Annalen der Physik und Chemie , 31  : 512. De la página 512: "Eine andere nicht uninteressante Beobachtung von Döbereiner ist: das Aether Schon bei der Termperatur von 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 augenblicklich in eine hochlodernde, hellleuchtende Flamme verwandelt." (Otra observación nada carente de interés de Döbereiner es que el éter arde incluso a la temperatura de 90° Réaumur con una llama azul pálida que es perceptible sólo en la oscuridad, que no hace que [las cosas] se enciendan, pero es tan inflamable que al acercarse de una vela encendida, se transforma instantáneamente en una llama ardiente y brillante.)
    • Boutigny, Pierre Hippolyte (1840) "Phénomènes de la caléfaction", Comptes rendus …, 12  : 397-407. En la página 400, Boutigny afirmó que cuando se añadió éter dietílico gota a gota a un crisol de platino al rojo vivo, se produjo un vapor ácido e irritante. "... il est bien à présumer qu'il s'opère là une combustion lente,..." (... es bueno suponer que allí se está produciendo una combustión lenta...)
    • Boutigny, Pierre Hippolyte (1857) Études sur les corps à l'état spheroidal: Nouvelle Branche de physique [Estudios sobre cuerpos en estado esferoidal: una nueva rama de la física], 3ª ed. París, Francia: Victor Masson, págs. 165-166. En la página 166, Boutigny señaló que cuando vertió un poco de éter dietílico en un crisol caliente: "Dans une obscurité profonde, on aperçoit, à toutes les Phases de l'expérience, une flamme d'un bleu clair peu aparente, qui ondule dans le creuset dont elle remplit toute la capacité ; Esta llama rara y transparente es el signo de una metamorfosis profunda que subit el éter ; las conjuntivas." (En la oscuridad profunda, se percibe, en todas las etapas de la experiencia, una llama de un azul claro discreto, que ondula en el crisol que llena completamente. Esta llama rara y transparente es un signo de una metamorfosis profunda que sufre el éter; Se caracteriza por la liberación de un vapor cuyo olor agudo y penetrante irrita fuertemente la mucosa nasal y la conjuntiva [de los ojos].)
    • Perkin, WH (1882) "Algunas observaciones sobre la combustión luminosa incompleta del éter y otros cuerpos orgánicos", Journal of the Chemical Society , 41  : 363-367.
  7. ^ Emeléus, Harry Julius (1929). "CCXXIX.—La emisión de luz de las llamas fosforescentes de éter, acetaldehído, propaldehído y hexano". J. Chem. Soc. : 1733–1739. doi :10.1039/JR9290001733.
  8. ^ abcd Pasman, HJ; Fredholm, O.; Jacobsson, Anders (2001). Prevención de pérdidas y promoción de la seguridad en las industrias de procesos. Elsevier. págs. 923–930. ISBN 0-444-50699-3.
  9. ^ Peligros XIX: seguridad de procesos y protección del medio ambiente: ¿qué sabemos? ¿hacia dónde vamos?. IChemE. 2006. p. 1059. ISBN 0-85295-492-1.
  10. ^ Griffiths, John F.; Inomata, Tadaaki (1992). "Llamas frías oscilatorias en la combustión del éter dietílico". Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions . 88 (21): 3153. doi :10.1039/FT9928803153.(Esta referencia cita evidencia de fuego frío a 430 K, que son 156 C, no 80 C)
  11. ^ ab Barnard, J (1969). "Oxidación de cetonas con llama fría". Simposio (internacional) sobre combustión . 12 (1): 365–373. doi :10.1016/S0082-0784(69)80419-4.
  12. ^ ab Won, SH; Jiang, B.; Diévart, P.; Sohn, CH; Ju, Y. (2015). "Llamas de difusión fría de n-heptano autosostenidas activadas por ozono". Actas del Instituto de Combustión . 35 (1): 881–888. doi :10.1016/j.proci.2014.05.021.
  13. ^ Jones, John Clifford (septiembre de 2003). "Oxidación a baja temperatura". Seguridad en el proceso de hidrocarburos: un texto para estudiantes y profesionales . Tulsa, OK: PennWell. págs. 32–33. ISBN 978-1-59370-004-1.
  14. ^ Nayagam, Vedha; Dietrich, Daniel L.; Ferkul, Paul V.; Hicks, Michael C.; Williams, Forman A. (1 de diciembre de 2012). "¿Pueden las llamas frías favorecer la combustión casi constante de gotitas de alcanos?". Combustion and Flame . 159 (12): 3583–3588. doi :10.1016/j.combustflame.2012.07.012. ISSN  0010-2180.
  15. ^ Kim, Minhyeng; Waddell, Kendyl A.; Sunderland, Peter B.; Nayagam, Vedha; Stocker, Dennis P.; Dietrich, Daniel L.; Ju, Yiguang; Williams, Forman A.; Irace, Phillip; Axelbaum, Richard L. (1 de enero de 2023). "Llamas esféricas de difusión fría alimentadas por gas". Actas del Instituto de la Combustión . 39 (2): 1647–1656. doi :10.1016/j.proci.2022.07.015. hdl : 1903/29540 . ISSN  1540-7489.
  16. ^ Waddell, Kendyl A.; Lee, Han Ju; Nayagam, Vedha; Axelbaum, Richard L.; Sunderland, Peter B. (1 de agosto de 2023). "Llamas de difusión frías en un flujo de estancamiento estratificado estable". Combustion and Flame . 254 : 112852. doi :10.1016/j.combustflame.2023.112852. ISSN  0010-2180.
  17. ^ Totten, George E.; Westbrook, Steven R.; Shah, Rajesh J., eds. (2003). Manual de combustibles y lubricantes: tecnología, propiedades, rendimiento y pruebas. ASTM International. pág. 73. ISBN 0-8031-2096-6.

Lectura adicional