1.2.2. Пламя. Процессы, протекающие в пламени

Горение газообразных, жидких и большинства твердых веществ протекает с образованием пламени. Пламя образуется тогда, когда при нагревании горючего вещества выделяются газообразные горючие вещества.

Пламя (факел) – часть пространства, в котором сгорают пары и газы (где начинаются и заканчиваются пламенные реакции).

Значительная часть энергии пламени расходуется на излучение (порядка 10–30 % для разных веществ)¹. Пламя является источником зажигания для свежей горючей смеси при установившемся горении. Важная особенность пламени – способность к самораспространению.

Без пламени горят кокс и антрацит, графит, сажа, древесный уголь, магний, железо. Если нет твердых частиц, то пламя незаметно (водород).

Пламя бывает:

• кинетическим (смесь паров заранее подготовлена – пламя газовой плиты, сварочных горелок);

• диффузионное (смесь паров образуется в процессе горения – пламя свечи).

По характеру потока диффузионное пламя бывает:

• ламинарное (небольшая скорость, малое сечение);

• турбулентное (большая скорость, большое сечение выходного отверстия, не имеет четких очертаний факела).

Строение пламени.

В пламени можно выделить 3 зоны (рис. 1.4):

• зону горючих паров;

• зону химической реакции (пламенных реакций);

• зону продуктов гоpения. В этой зоне находятся СО₂, N₂, пары Н₂О, несгоревшие продукты термоокислительного разложения: оксид углерода СО, атомы Н, радикалы ОН˙, О˙.

Рис. 1.4. Строение ламинарного диффузионного пламени

Температура пламени

Различные вещества имеют разную температуру пламени. Например, температура пламени:

магния Mg t_пл = 3000 ^C;

газов – порядка 1350 – 1400С и выше. Так, ацетилен С₂Н₂ имеет в кислороде температуру пламени порядка 2100 – 2300 С;

жидкостей – порядка 1200 – 1300 С, (так, температура пламени бензин – 1200 С);

твердых горючих веществ, t_пл – порядка 1100 – 1200 С (древесина – 700 – 1200 С, торф – 780 С и т.д.).

Пламя неоднородно по температуре. В зоне паров температура достигает 600 С, в части пламени, примыкающей к зоне паров, – 800 С, в части пламени, примыкающей к зоне продуктов горения, – 1100 – 1400 С. Также неоднородна температура пламени по высоте: в нижней части его охлаждает подходящий извне холодный воздух, в верхней части – продукты горения.

Свечение пламени зависит от наличия углерода, трех атомных газов и твердых частичек. Атомы углерода С поступают в зону горения, нагреваются и светятся. Поэтому яркое светящееся пламя имеют вещества, в составе которых более 60 % углерода (например, нефтепродукты, резиновые изделия, углеводородные топлива). Поскольку частицы сажи обусловливают сильное свечение, диффузионное пламя факелов, лучин, свечей, керосиновых ламп в старину использовали для освещения.

Несветящееся пламя наблюдается в том случае, когда содержание кислорода О₂ составляет более 50 % (оксид углерода СО, метиловый спирт СН₃ОН).

Присутствие частиц сажи в пламени повышает теплоотдачу, поэтому, чем больше сажи в пламени, тем меньше его температура. Несветящееся пламя, образующееся при горении метанола, имеет среднюю температуру порядка 1200 С, а светящееся пламя керосина и бензола ‑ соответственно 990 С и 920С.

Свечение пламени имеет химическую природу, является результатом превращения вещества и определяется радикалами СН˙ и НСО˙. При этом толщина зоны свечения соответствует толщине зоны реакции. К настоящему времени можно считать доказанным, что в пламени имеет место как термическая ионизация газа, так и ионизация за счет элементарных химических актов (хемионизация).

При высоких температурах, какие имеют место в пламени, кинетическая энергия соударяющихся частиц (атомов, молекул) может быть достаточна не только для их возбуждения, но и ионизации, т.е. отщепления электронов. Естественно, возможен и обратный процесс – рекомбинация заряженных частиц с образованием нейтральных молекул. Основной причиной образования ионов и электронов в зоне пламени является хемионизация, механизм которой считают изученным недостаточно.

Цвет пламени – зависит от накаленных твердых частиц, находящихся в зоне горения и строения горючего вещества.

Частицы металлов придают пламени следующие цвета:

Al – белый, Cu – зеленый,

Mg – белый, Li – красный, Nа – желтый.

Кроме этого, цвет пламени зависит от строения вещества. Так, при горении капрона образуется голубое пламя; полиэтилена – снизу голубое, сверху желтое.

Вопросы для самоконтроля

1. Что понимают под пламенем?

2. Из каких зон состоит пламя?

3. Приведите примеры характерных температур пламени различных веществ.

4. Перечислите виды пламени.

5. От чего зависит свечение и цвет пламени?