Εισαγωγή

Οι διαδικασίες της φυσικής καύσης μπορεί να λάβουν διάφορες μορφές: αυτόματη ανάφλεξη, φλόγες διάδοσης, αργή καύση (υποβόσκουσα φωτιά) και προαναμεμειγμένες φλόγες. Εξετάζοντας τη φλόγα ενός κεριού με απλά πειράματα, προερχόμενα από την εργασία του FARADAY το 1850, μπορείτε να συμπεράνετε πώς λειτουργεί η φλόγα διάδοσης (μετάδοσης). Δείχνεται επίσης ότι η διαδικασία της πυροδότησης με φλόγα εμπεριέχει μια προαναμεμειγμένη φλόγα και μια οδηγό (φλόγα). Η αυτόματη ανάφλεξη δεν χρειάζεται οδηγό φλόγα, αλλά συμβαίνει από μόνη της και στο περιβάλλον της. Η αυτόματη ανάφλεξη μπορεί να ακολουθήσει μια από τις ακόλουθες δύο τροχιές (πορείες): (1) καύση με φλόγες - φλόγες διάδοσης ή (2) αργή καύση - μια αργή οξείδωση καυσίμου σε θερμοκρασίες χαμηλές έως 400 C. Αυτές οι διαδικασίες αναλύονται και παρουσιάζονται ποσοτικές πληροφορίες.

Η Φωτιά και τα Συστατικά της

Η καύση ή φωτιά είναι μια χημική αντίδραση που εμπεριέχει απελευθέρωση ενέργειας, μέρος της οποίας είναι σε φως - η φλόγα. Τα περισσότερα καύσιμα αποτελούνται (απαρτίζονται) από άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο. Ορισμένα καύσιμα, ιδίως πλαστικές ύλες, μπορεί να περιέχουν άλλα στοιχεία όπως άζωτο, χλώριο και φθόριο. Για να προσδιορισθεί μια χημική αντίδραση ως καύση, πρέπει να απελευθερωθεί αντιληπτή ενέργεια: ο ρυθμός απελευθέρωσης ενέργειας ανά μονάδα όγκου της χημικής αντίδρασης καθορίζει εάν η αντίδραση είναι καύση. Το μέγεθος της φλόγας δεν αποτελεί παράγοντα κρίσεως. Στο κατώφλι της καύσης αυτή η αρχόμενη στάθμη ενέργειας μπορεί να είναι περίπου 10 ή 1000 KW/m , γεγονός που είναι ικανό να θερμάνει νερό 1 "C ανά δευτερόλεπτο. Διατηρούμενες αντιδράσεις καύσεων μπορεί να εμπεριέχουν πολύ περισσότερη - πυκνότητα ενέργειας - μέχρι και 1010 KW/m3. Η θερμοκρασία σ' αυτή την περιοχή αντίδρασης μπορεί να φθάσει 2000°C για αέρια καύσιμα και 1000°C για αντίδραση στερεών καυσίμων.
Το τρίγωνο της καύσης όπως φαίνεται στο σχήμα 2-1, είναι μια ιδέα (έννοια) που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό των διαδικασιών της καύσης. Τα στοιχεία του τριγώνου της καύσης είναι απαραίτητα για την ύπαρξη της καύσης. Το τρίγωνο αποτελείται από (1) καύσιμη ύλη ενωμένη με (2) οξυγόνο σε μια χημική αντίδραση που απελευθερώνει (3) ενέργεια και άλλη χημικά προϊόντα. Η ενέργεια προκαλεί μετάδοση θερμότητας στη στερεά ή υγρή καύσιμη ύλη για τη διατήρηση της αεριοποίησης της καύσιμης ύλης ή τη διατήρηση της θερμοκρασίας της καύσιμης ύλης, ώστε να εξασφαλίζεται η συνέχιση της χημικής αντίδρασης. Εάν αφαιρέσουμε αρκετή καύσιμη ύλη ή οξυγόνο ή ελαττώσουμε την ενέργεια με σβήσιμο (της φωτιάς) ή επιβραδυντικά μέσα, τότε η καύση δεν θα επιζήσει.

 

Είδη καύσεων
Μπορούμε να ταξινομήσουμε την καύση σε τέσσερα ξεκάθαρα φαινόμενα:
1. Φλόγες διάδοσης.
2. Αργή καύση (υποβόσκουσα φωτιά).
3. Αυτό ανάφλεξη
4. Προαναμεμειγμένες φλόγες.

Φλόγες Διάδοσης
Η διάδοση φλόγας είναι μια διαδικασία ανάφλεξης όπου το καύσιμο αέριο και το οξυγόνο μεταφέρονται στην περιοχή αντίδρασης λόγω διαφορών συμπύκνωσης. Αυτή η μεταφορά καλείται διάδοση και υπάγεται στον νόμο του FICK που λέει ότι μια δεδομένη ένωση (π.χ. σε σχέση με την καύση, οξυγόνο, καύσιμη ύλη, CO2) θα μετακινηθεί από μια υψηλή συμπύκνωση προς μια χαμηλή εντός του μίγματος. Μια σταγόνα μελανιού σε ένα ποτήρι νερό θα διαχυθεί μέσα σ' αυτό για να μας δώσει μια μπλε απόχρωση. Το οξυγόνο του αέρα θα μετακινηθεί προς τη φλόγα η οποία έχει μια συμπύκνωση (εμπλουτισμό) ίση με μηδέν (0) λόγω κατανάλωσης του στην αντίδραση. Η καύσιμη ύλη μεταφέρεται στην αντίθετη πλευρά της φλόγας με την ί5ια διαδικασία. Τα προϊόντα της καύσης διαχέονται μακριά από τη φλόγα και προς τις δυο κατευθύνσεις. Αυτή η διαδικασία δείχνεται στο σχήμα 2-2.

 

Οι πιο φυσικές φλεγόμενες καύσεις είναι οι φλόγες διάδοσης. Ένα σύνηθες παράδειγμα είναι η φλόγα ενός σπίρτου ή κεριού . Σε ένα κερί η φλόγα λειώνει το κερί το οποίο μεταφέρεται προς τα επάνω στο φυτίλι λόγω τριχοειδούς ιδιότητος.
Η φλόγα τότε αεριοποιεί το κερί, και η αέρια καύσιμη ύλη διαδίδεται στη φλόγα όπου συναντά οξυγόνο. Για το ξύλινο σπίρτο, το ξύλο αποσυντίθεται από την θερμότητα της φλόγας σε αέρια καύσιμη ύλη και ξυλάνθρακα. Αυτή η διαδικασία αποσύνθεσης καλείται πυρόλυση. Η φλόγα ενός κεριού είναι ένα παράδειγμα στοιχειοθετημένης φλόγας διάδοσης ελεγχόμενη από καθαρή μοριακή διάδοση. Οποιαδήποτε φλόγα υψηλότερη από 1 πόδι θα εμπεριέχει απρογραμμάτιστη (τυχαία) μηχανική αστάθεια του ρευστού, απεικονιζόμενη με ορατές δίνες του καπνού και της φλόγας. Αυτό καλείται στροβιλισμός και έτσι έχουμε τις στροβιλιζόμενες φλόγες διάδοσης .
Ο καπνός από μια μεγάλη καμινάδα έχει αυτόν τον στροβιλιζόμενο χαρακτήρα και ο νηματοειδής καπνός ενός τσιγάρου σε ήσυχο δωμάτιο αρχίζει ως μια στοιχισμένη ροή (χωρίς διακυμάνσεις) και μετά εμφανώς διαχωρίζεται όταν υψωθεί περίπου 1 πόδι για να γίνει τελικά στροβιλιζόμενος (ο καπνός) (σχήμα 2-5).
Η βαρύτητα επηρεάζει το σχήμα των φλογών διάδοσης και πολύ περισσότερο επηρεάζει τις διαδικασίες καύσεως γενικά. Λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που δημιουργούνται από την καύση, τα θερμότερα (ελαφρύτερα) αέρια ανέρχονται ως αποτέλεσμα της άντωσης. Η επακολουθούσα ροή παραμορφώνει τη φλόγα και τελικά η αστάθεια της ροής προκαλεί στροβιλισμούς. Ο στροβιλισμός οφείλεται στις διαταραχές, που δημιουργούνται φυσικά και οι οποίες διεγείρουν τη ροή στη φυσική της συχνότητα. Το ίδιο φαινόμενο συμβαίνει όταν ένα μη - ζυγοσταθμισμένο ελαστικό αυτοκινήτου αρχίζει να ταλαντούται ακανόνιστα σε μια ταχύτητα που έχει σχέση με την φυσική συχνότητα του ελαστικού. Οι μηχανικοί περιορισμοί εμποδίζουν τον τροχό να φύγει από το όχημα. Παρόμοια, η άντωση και ο στροβιλισμός είναι δύο παράγοντες που ελέγχουν την καύση και των σχετιζόμενων ροών. Είναι ενδιαφέρουσα η μελέτη της συμπεριφοράς των φλογών διάδοσης σε ένα διαστημόπλοιο στο οποίο η βαρύτητα και άντωση είναι αμελητέες.
Τα γενικά σχήματα φλογών διάδοσης δεικνύονται στο σχήμα 2-6. Οι φυσικές καύσεις, που εμπεριέχουν υγρά ή στερεά καύσιμη ύλη, έχουν πολύ μικρές ταχύτητες

στη βάση της καύσιμης ύλης (~1 cm/sec), αλλά μια αέρια πηγή καύσιμης ύλης υψηλής πίεσης μπορεί να πυροδοτήσει την καύσιμη ύλη σε πολύ υψηλότερες ταχύτητες. Για τέτοιες φλόγες, οι επιδράσεις της άντωσης μπορεί να είναι αμελητέες και σε μια αρκετά υψηλή ταχύτητα, η φλόγα από αναβλυστήρα (jet) φθάνει σε συγκεκριμένο ύψος. Καύσεις με χαρακτηριστικά όπως δεικνύονται στο σχήμα 2-6Β, φθάνουν σε ύψη που σχετίζονται με την παρεχόμενη τους καύσιμη ύλη και τον εφοδιασμό αέρος που λαμβάνεται (έλκεται) από την άντωση της φωτιάς. Για πυρκαγιές μεγάλων εκτάσεων όπως πυρκαγιές δασών ή μεγάλες πυρκαγιές πόλεων, η ροή αέρος μπορεί να τραβηχτεί από ψηλά καθώς και από τα πλάγια. Το σχήμα 2-6Β θα είναι η εστία της προσοχής μας και παρουσιάζει φλόγες μετάδοσης σχετικές με τις πυρκαγιές κτιρίων.
Φλόγα κεριού
Η φλόγα του κεριού παρέχει τα περισσότερα από τα απαραίτητα χαρακτηριστικά των φυσικών καύσεων και της φλόγας διάδοσης. Θα είναι για μας το εργαλείο εκμάθησης. Αρχικά θα επαναλάβουμε ορισμένα από τα πειράματα που έγιναν από τον επιστήμονα του Λ 9ου αιώνα, FARADAY.
\ 820 ανακάλυψε δύο άλατα του άνθρακα
1821 ανακάλυψε την ηλεκτρομαγνητική περιστροφή - έκανε ένα πείραμα όπου ένα σύρμα που μετέφερε ηλεκτρικό ρεύμα περιστρέφετε μέσα στο πεδίο μαγνήτη σχήματος πετάλου αλόγου-
Ί 823 υγροποίησε το χλώριο 1825 απομόνωσε το βενζόλιο
1831 έκανε επίδειξη της αρχής της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής - την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος από μια μεταβολή της μαγνητικής έντασης-
1844 ανακάλυψε την περιστροφή της επίπεδης πόλωσης του φωτός εντός μαγνητικού επιπέδου
Σχήμα 2-7 Ο FARADAY και οι επιστημονικές του ανακαλύψεις
Αυτά τα πειράματα παρουσιάσθηκαν στο Βασιλικό Ινστιτούτο του Λονδίνου ως επιστημονικό θέαμα προς το κοινό. Είναι εκπληκτικό για όσους μελετούν την καύση να δουν πως ο FARADAY εκτίμησε τις λειτουργίες ενός κεριού και τη σημασία του στην επιστήμη της καύσης. Αυτές οι σκέψεις εκφράζονται στον εναρκτήριο λόγο του στις Χριστουγεννιάτικες διαλέξεις του:
Προτίθεμαι να σας παρουσιάσω, κατά την πορεία αυτών των διαλέξεων, την Χημική Ιστορία του κεριού. Δεν υπάρχει κανένας νόμος υπό τον οποίο οποιοδήποτε τμήμα αυτού του σύμπαντος να ελέγχεται και ο οποίος δεν ενεργοποιείται και θίγεται σ' αυτά τα φαινόμενα. Δεν υπάρχει τίποτα καλύτερο, όπως και δεν υπάρχει πιο ανοικτή πόρτα, από την οποία μπορείτε να εισέλθετε στην μελέτη της φυσικής φιλοσοφίας, από την εξέταση των φυσικών φαινόμενων ενός κεριού.
Ανάψτε ένα κερί και παρατηρήστε τις διαδικασίες που δημιουργούν την διατηρούμενη φλόγα. Όπως δείχνεται στο σχήμα 2-8, μπορείτε να δείτε διάφορα πράγματα. Η κίτρινη και μπλε ζώνη αποτελούν την φλόγα (το πρώτο είναι διάδοση (φλόγα) και το δεύτερο, προαναμεμειγμένη). Το φυτίλι είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε να κυρτώνεται και η φλόγα να το κόβει και να περιορίζει το ύψος του. Γιατί, όμως, δεν καταστρέφεται ολόκληρο το φυτίλι; Ποιος είναι ο σκοπός του; Με λίγη σκέψη μπορεί να συμπεράνει κανείς ότι η θερμότητα της φλόγας λειώνει το κερί, το οποίο διαποτίζει (μουλιάζει) το φυτίλι (με την μέθοδο του τριχοειδούς, όπως το νερό τροφοδοτεί τα φύλλα του δένδρου) αεροποιείται και τροφοδοτεί με αέριο καύσιμο την διάδοση σε μια φωτεινή ζώνη όπου βρίσκει οξυγόνο που έχει διαχυθεί (διαδοθεί) από την άλλη πλευρά. Η έντονη ροή επιμηκύνει την φλόγα του κεριού αλλά το ίχνος που ακολουθεί (η ροή) είναι αρκετά μικρή έτσι ώστε να διατηρείται στοιχισμένη. Όμως, καθώς τα ζεστά αέρια της καύσης ανυψώνονται από τη φλόγα, στροβιλίζονται. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να ιδωθεί προβάλοντας ευθυγραμμισμένο φως (από προβολέα διαφανειών ή δυνατό προβολέα / "φακό") προς τη φλόγα πάνω σε μια άσπρη οθόνη! Θα δείτε μια εικόνα σκιάς της ροής επί της οθόνης ως αποτέλεσμα της διάθλασης των ακτίνων που προκαλείται από τις θερμές και ψυχρές ροές. Υπόψη ότι το νηματοειδές λοφίο της φλόγας γίνεται τυρβώδες ("ταραγμένο") σε απόσταση 1 πόδι περίπου πάνω από την φλόγα. Εάν παρατηρήσετε καλύτερα θα δείτε την σκιά του φυτιλιού και την σκιά μέρους της περιοχής της φλόγας. Τι μπορεί να προκαλεί αυτή την σκιά της φλόγας; (κάποια στερεά συστατικά που φράσουν το φως στην φλόγα).

Τώρα τοποθετήστε ένα μεταλλικό δικτύωμα στη φλόγα, όπως δείχνεται στο σχήμα 2-9. Το μεταλλικό δικτύωμα κόβει τη φλόγα, σβήνοντας περισσότερο την καύση. Γιατί; Περιγράψτε το κόψιμο της φωτεινής φλόγας.
Οι αντιδράσεις της καύσης μπορούν να διατηρηθούν μόνο εάν η θερμοκρασία της φλόγας είναι αρκετά μεγάλη, χαρακτηριστικά περισσότερο από τους 1300 C. Καθώς το ύψος του δικτυώματος (κόσκινο) μεταβάλλεται μέσα στη φλόγα, απελευθερώνεται μαύρος καπνός, όταν το μεταλλικό δικτύωμα βρίσκεται ψηλά μέσα στη φλόγα και άσπρος ή γκρί όταν το δικτύωμα βρίσκεται κοντά στο φυτίλι. Τι σημαίνουν αυτά τα διαφορετικά χρώματα καπνών;  Συλλέξτε τον μαύρο καπνό σε ένα κομμάτι άσπρου χαρτιού, προσέχοντας να μην εισαγάγετε το χαρτί μέσα στη φλόγα. Τι είναι αυτό που συλλέξατε; Από που δημιουργούνται αυτά τα μαύρα μόρια; Βρείτε αυτή την περιοχή στο σχήμα 2-8. Σβήστε τη φλόγα και παρατηρήστε το χρώμα και το είδος του καπνού που εκπηγάζει από το φυτίλι. Πώς συγκρίνεται αυτό με τον άσπρο καπνό που προκύπτει από την χαμηλωμένη θέση του δικτυώματος;

Ξανά ανάψτε το κερί. Όταν σταθεροποιηθεί η φλόγα, εισαγάγετε ένα γυάλινο σταγονόμετρο στην περιοχή από όπου νομίζεται ότι προέρχεται ο άσπρος καπνός. Αφαιρέστε τον άσπρο καπνό μέσα στο γυάλινο σταγονόμετρο. Εκτοξεύατε αυτό το άσπρο αέριο πάνω στην κορυφή της φλόγας. Θα πρέπει να αναφλέγει" και να μοιάζει με ένα μικρό φλογοβόλο. Τι ήσαν αυτά τα άσπρα αέρια; Για να πιστοποιήσετε τα αποτελέσματα σας, σβηστέ πάλι τη φλόγα του κεριού και γρήγορα προσπαθήστε να ανάψετε τους άσπρους ατμούς που βγαίνουν από το κερί. Θα πρέπει να δείτε μια φλόγα να διαδίδεται προς το κάτω μέρος αυτού του ίχνους ατμών και να αγκιστρωθεί στο φυτίλι. Αυτή η διαδιδόμενη φλόγα είναι μια προαναμεμειγμένη φλόγα. Η αγκιστρωμένη φλόγα, είναι φυσικά, η φλόγα διάδοσης.
Ξαναμελετήστε όλες τις πληροφορίες που συμπεραίνονται επί της φλόγας του κεριού και θα πρέπει να καταλάβετε καλά το νόημα της φλόγας διάδοσης και της καύσης. Πιθανόν να χρειασθεί να συμβουλευτείτε το εγχειρίδιο του FARADAY για περισσότερα ενημερωτικά πειράματα με το κερί.
Ανατομία της φλόγας διάδοσης
Περισσότερο εξελιγμένα πειράματα έγιναν με στοιχισμένη φλόγα διάδοσης χρησιμοποιώντας μεθάνιο (CH4) ως καύσιμη ύλη, από τον KERMIT SMYTH και τους συνεργάτες του. Η φλόγα που χρησιμοποίησαν αποτελείτο από ελεγχόμενες ροές μεθανίου (CH4) και αέρος, όπως φαίνεται στο σχήμα 2-11. Ο καυστήρας είναι ένα "μπέκ" σχισμής, έτσι έχει επίπεδα χαρακτηριστικά συγκριτικά με τα κυλινδρικά χαρακτηριστικά του κεριού, αλλά η δυναμική της φλόγας είναι η ίδια. Διάφορες τεχνικές σημειακών μετρήσεων χρησιμοποιήθηκαν στη φλόγα για τη διαπίστωση της ποσοτικής της ανατομίας. Μπορούμε να συγκρίνουμε αυτές τις μετρήσεις με ότι έχουν συνάγει από τα πειράματα του κεριού. Αυτά τα ποσοτικά αποτελέσματα θα επιδειχθούν 9 χιλιοστά πάνω από τον καυστήρα.

 

Οι μετρήσεις με θερμικό ζεύγος (συσκευή αποτελούμενη από δυο σύρματα ανόμοιων μετάλλων για τη μέτρηση θερμοκρασίας) της θερμοκρασίας κατά μήκος της περιοχής της φλόγας, δεικνύονται στο σχήμα 2-12 και σε ύψος 9 χιλιοστών. Άλλα ύψη εντός της φωτεινής περιοχής θα είναι παρόμοια. Αυτές οι μετρήσεις στα 9 χιλιοστά είναι ενδεικτικές των δυο πλευρών της φλόγας μετάδοσης. Είναι δύσκολο να μετρηθούν οι υψηλότερες θερμοκρασίες, οι ενδεικτικές της ζώνης αντίδρασης επειδή ο πρόβολος του θερμικού ζεύγους θα χάσει ορισμένη θερμοκρασία και ελαφρώς θα ψύξει την φλόγα. Έτσι, οι υψηλές θερμοκρασίες των περίπου 1700 C πιθανόν να είναι 1900 έως 2000 C. Παρά ταύτα, αυτή η υψηλή θερμοκρασία περιοχής είναι ενδεικτική της ζώνης χημικής αντίδρασης της φλόγας. Αυτό ήτο το φωτεινό κίτρινο "περίβλημα" της φλόγας του κεριού. Οι εσωτερικές θερμοκρασίες οφείλονται στην θερμότητα που οδηγείται προς τα μέσα. Η θερμοκρασία της εξωτερικής πτέρυγας τελικά θα γίνει η θερμοκρασία του καθαρού αέρα.

 

Η αντίστοιχη κάθετη ταχύτητα ροής, δείχνεται στο σχήμα 2-13. Αυτές οι ταχύτητες ροής οφείλονται κυρίως στην άντωση.
Χρησιμοποιώντας ειδικές τεχνικές με οπτικά - λέηζερ, ο SMYTH και οι συνεργάτες του κατάφεραν να απεικονίσουν την εμφανή φλόγα, μόρια ΟΗ και αιθάλης. Τα ασταθή μόρια ΟΗ είναι ενδεικτικά των, για λίγο διάστημα, ενεργών (αναμμένων) χημικών ειδών στην καρδιά της χημικής αντίδρασης. Εκτείνονται μέχρι την πλευρά αέρος της φλόγας. Η αιθάλη ή μαύρος καπνός από τα πειράματα του κεριού, προέρχεται από μέσα από τη (φωτεινή) ζώνη της φλόγας. Αυτό φαίνεται καθαρά στις απεικονίσεις των στο σχήμα 2-14.

 

 

Η αιθάλη δημιουργείται προς την πλευρά της καύσιμης ύλης της φλόγας μετάδοσης. Προκύπτει από μια σύνθετη διαδικασία καθώς η αρχική καύσιμη ύλη (CH4) δραστηριοποιείται μεταδιδόμενη προς την φλόγα. Η έντονη θέρμανση έχει αποτέλεσμα την πυρόληση (διάσπαση) των μορίων του CH4 σε πολλά μόρια υδρογονανθράκων. Καθώς η ασετυλίνη (C2H2) και άλλα προκαταρκτικά υλικά δημιουργούνται, παράγεται αιθάλη (κυρίως άτομα άνθρακος). Η αιθάλη (μια στερεά μορφή από αέρια) "μεταναστεύει" δια μέσου της ζώνης αντίδρασης (φλόγα), οξειδούται (κυρίως από ΟΗ) και καταναλώνεται. Βλέπουμε αυτή την οξείδωση από την κίτρινη λάμψη (πυρακτωμένη) της ορατής φλόγας. Σ' αυτή τη φλόγα, όπως και στη φλόγα του κεριού, σχεδόν όλη η αιθάλη καταναλίσκεται πριν το τέλος της ζώνης αντίδρασης. Το ύψος της ορατής φλόγας σχεδόν συμπίπτει με το τέλος (άκρο) του ύψους της αιθάλης, (σχήμα 2-14) και η ζώνη του ΟΗ είναι ελαφρώς πάνω απ' αυτό το ύψος. Εάν τραβήξουμε βίαια τη φλόγα "απλώνοντας" την (π.χ. τραβήξτε, απότομα τη φλόγα του κεριού - προσέχοντας να μη χύσετε το λειωμένο κερί), αιθάλη μπορεί να διαφύγει από το βίαιο τράβηγμα. Αυτό σημαίνει ότι η δημιουργία της αιθάλης γίνεται στην πλευρά της καύσιμης ύλης της φλόγας. Για καύσιμη ύλη που απελευθερώνει μεγάλη ποσότητα αιθάλης, δεν υπάρχει χρόνος να οξειδωθεί η αιθάλη πριν από το άκρο της ζώνης αντίδρασης. Τότε η αιθάλη διαφεύγει ως μαύρος καπνός.

 

Ας εξετάσουμε τις άλλες ενώσεις που λαμβάνουν χώρα σ' αυτή τη διαδικασία της φλόγας.  Οι μετρήσεις έγιναν από τον SMYTH, 9 χιλιοστά πάνω από την οπή της καύσιμης ύλης. Οι εμπλουτισμοί (συμπυκνώσεις) δίδονται σε μοριακά κλάσματα, που είναι το ίδιο όπως τα κλάσματα λόγω όγκου. Για παράδειγμα, αφαιρέστε το οξυγόνο εν μέρει, και αφήστε να εξισωθεί με την πίεση του αέρα· η αναλογία του εξισορροπημένου όγκου προς τον όγκο του μίγματος του αερίου, είναι η ίδια όπως το μοριακό κλάσμα. Υπόψη ότι το οξυγόνο (Ο2) στον καθαρό αέρα είναι σε αναλογία 0,21 με το άζωτο (Ν2) να συμπληρώνει το υπόλοιπο 0,79.
Η καύσιμη ύλη (μεθάνιο CH4) είναι σχεδόν 1 (όλο καύσιμη ύλη) στο κέντρο. Βλέπουμε ότι η καύσιμη ύλη και το οξυγόνο φθάνουν στο μηδέν περίπου στα 6 χιλιοστά, το μέγιστο σημείο της περιοχής καύσης. Είναι σχεδόν λιγότερο από 1 χιλιοστό σε πλάτος και σε ύψος 9 χιλιοστά πάνω από την πηγή της καύσιμης ύλης. Οι ατμοί του νερού (Η2Ο) είναι επίσης στο μέγιστο σημείο. Μαζί με το διοξείδιο του άνθρακος (CO2), ένα βασικό μίγμα δημιουργείται και απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα σαν προϊόν της καύσης.

Αργή Καύση (Υποβόσκουσα Φωτιά)

Η αργή καύση είναι μια διαδικασία καύσεως που πραγματοποιείται μεταξύ του οξυγόνου του αέρα και μιας στερεάς καύσιμης ύλης. Η αντίδραση δημιουργείται επί της στερεάς επιφανείας και το οξυγόνο διαχέεται στην επιφάνεια. Η επιφάνεια υφίσταται πυράκτωση και αποτέφρωση. Αυτή η πυράκτωση είναι ενδεικτική ότι η θερμοκρασία υπερβαίνει τους 1000 C. Η αργή καύση μπορεί να επανέλθει σε φλεγόμενη καύση, κυρίως λόγω κάποιας αλλαγής, χαρακτηριστικά μιας αύξησης, του ρυθμού ροής του αέρα πάνω από την καύσιμη ύλη. Επενδεδυμένα έπιπλα και στρώματα τα οποία "πήραν φωτιά" από πεταμένο τσιγάρο, αποτελούν τις βασικές πηγές αργής καύσης στα σπίτια. Η ατέλεια της διαδικασίας της καύσης προκαλεί υψηλά επίπεδα μονοξειδίου του άνθρακα (CO) αντί διοξειδίου (CO2). Περισσότερο από 10% της μάζας της καύσιμης ύλης μετατρέπεται σε CO. Συνήθη παραδείγματα αργής καύσης δείχνονται στο σχήμα 2-20.

Η αργή καύση μπορεί να δημιουργηθεί σε πορώδη στερεά καύσιμα, σε συνδυασμούς καύσιμων υλών, σε αδιαπέραστα υλικά, και σε περιοχές απόρριψης στερεών καυσίμων. Χρειάζεται αέρα, αλλά όχι πολύ διότι η διαδικασία είναι αργή. Ο αέρας μπορεί να ρεύσει προς το εμπρόσθιο μέρος της υποβόσκουσας φωτιάς και από τις δύο κατευθύνσεις και μπορεί να προκληθεί- να ρεύσει φυσικά λόγω της άντωσης. Η αργή καύση επιδεικνύεται στο σχήμα 2-21.
Η ταχύτητα της αντίδρασης της αργής καύσης εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, αλλά γενικά είναι της τάξεως των 10" έως 10" εκατοστά / δευτερόλεπτο, κατά προσέγγιση 1 -5 χιλιοστά / λεπτό.
Η βραδεία καύση είναι πολύ αργή αλλά ενδεχόμενα θανατηφόρα διότι παράγει μονοξείδιο του άνθρακα.

 

Αυτανάφλεξη

Η αυτανάφλεξη είναι μια διαδικασία καύσης που μπορεί να αρχίσει με μια αργή οξείδωση σε μια καύσιμη ύλη που έχει εκτεθεί σε αέρα. Η χημική αντίδραση είναι σχετικά αργή έτσι που πιθανόν να μη γίνει αισθητή ή στην καλύτερη περίπτωση να βρίσκεται σε μια χαμηλής μορφής βραδεία καύση. Η απελευθέρωση της ενέργειας από την χημική αντίδραση συναγωνίζεται με την ικανότητα της καύσιμης ύλης να εκδιώξει θερμότητα στον περιβάλλοντα αέρα. Εάν εκδιωχθεί ανεπαρκής θερμότητα, η θερμοκρασία της καύσιμης ύλης μπορεί να αυξηθεί, και κατά συνέπεια προκαλείται μια γρηγορότερη χημική αντίδραση. Αυτή η αντίδραση οδηγεί σε μια θερμική διαφυγή (μια επιταχυνόμενη χημική αντίδραση λόγω της μετάδοσης θερμότητας) και τελικά η διαδικασία μπορεί να καταλήξει σε φλεγόμενη καύση (μια φλόγα μετάδοσης) ή ενεργή βραδεία καύση. Επειδή η απώλεια θερμότητας είναι ένας παράγων, όσο μεγαλύτερη είναι η σειρά των καύσιμων υλών, τόσο περισσότερο επιρρεπές είναι το σύστημα σε αυτανάφλεξη. Η όλη διαδικασία από την έναρξη μέχρι την εμφάνιση φλογών μπορεί να διαρκέσει ώρες ακόμη και ημέρες. Για να πραγματοποιηθεί, χρειάζονται ορισμένες κρίσιμες περιβαλλοντολογικές ή θερμοκρασιακές συνθήκες. Καίτοι υπάρχουν θεωρίες για την αυτανάφλεξη, είναι δύσκολο να εφαρμοσθούν με μεγάλη ακρίβεια. Ορισμένα παραδείγματα διαφορετικών καυσίμων υλών επιρρεπών σε αυτανάφλεξη δείχνονται στο σχήμα 2-23.

 

Όλες οι χημικές αντιδράσεις που οδηγούν σε καύση, αυξάνονται γρήγορα καθώς η θερμοκρασία αυξάνει. Εάν το μέγεθος της καύσιμης ύλης και του μίγματος αέρος εμποδίζει τον ρυθμό απώλειας θερμοκρασίας μπορεί να δημιουργηθεί ενέργεια για να αυξήσει την θερμοκρασία. Αυτή η αυξημένη θερμοκρασία έχει το δυναμικό να επιταχύνει την αντίδραση από ένα απλό κιτρίνισμα σε μια υφασμάτινη επένδυση σε διάστημα χρόνων, έως την ανάφλεξη απορριμμάτων υφασμάτων σε ώρες. Ένας ειδικός αναλύει την διακύμανση των αποτελεσμάτων υφάσματος ποτισμένου (μουλιασμένου) με λινέλαιο:
Οι ποσότητες των υλικών που εμπλέκονται στο ξεκίνημα (έναυση) της φωτιάς, μπορεί να είναι αρκετά μικρές. Για παράδειγμα ο TARODOISE (1925) διερευνώντας την αυτανάφλεξη των κουρελιών καθαρισμού που είναι διαποτισμένα με υλικά βαφής, ανέφερε ότι η εμπειρία έδειξε την εμφάνιση αυτανάφλεξης σε μόνο 25 g κουρελιών αλλά, σε μια σειρά πειραμάτων βρήκε ότι τα καλύτερα αποτελέσματα διαπιστώθηκαν με 75 g βαμβακερών κουρελιών εμποτισμένων σε ίση ποσότητα μίγματος λινελαίου, νέφτι και υγρά "στεγνωτικά" (περιέχοντα ρητινούχο Μαγγάνιο) και αφού εκτεθούν στον ελεύθερο αέρα σε κυλινδρικά δοχεία που έχουν κατασκευασθεί από λεπτό συρμάτινο πλέγμα. Οι χρόνοι έναυσης γενικά κυμαίνονται από 1 ώρα έως 6 ώρες, ενώ ορισμένα δείγματα που δεν "άναψαν" μέσα σ' αυτούς τους χρόνους και θεωρήθηκαν ασφαλή, άναψαν μετά από ορισμένες ημέρες. Άλλα παραδείγματα που δίδουν μια ένδειξη διαβάθμισης, αναλύθηκαν από τον K1SSL1NG το 1895, ο οποίος εξασφάλισε αυτόνομη θέρμανση στην έναυση, από μια αρχική θερμοκρασία των 23,5 °C σε 50 g μάλλινου υφάσματος εμποτισμένου με 100 g λινελαίου και από τον GABLE (το 1941) ο οποίος έκανε δύο πειράματα με μάλλινα υπολείμματα εμποτισμένα σε βρασμένο λινέλαιο και συσκευασμένα σε κιβώτια· με το μικρότερο απ' τα δύο, χαρτοκιβώτιο διαστάσεων 10cmx10cmx15 cm, η θερμοκρασία ανέβηκε από 21 °C στους 226 °C σε 6 1/4 ώρες και το μάλλινο υλικό "καρβούνιασε".
Η τάση για αυτανάφλεξη μπορεί να μετρηθεί θέτοντας ένα δείγμα του υλικού υπό εξέταση, σε θερμοκρασίες κλιβάνου, μέχρι να βρεθεί η χαμηλότερη θερμοκρασία που τελικά να προκαλέσει έναυση, η οποία μπορεί να εκδηλωθεί με βραδεία καύση ή φλόγα. Καθώς το μέγεθος της καύσιμης ύλης αυξάνει, ελαττώνοντας την ικανότητα της θερμότητας να δημιουργηθεί από το κέντρο της, η κρίσιμη θερμοκρασία αέρος που απαιτείται για έναυση, ελαττώνεται. Πρόσθετα, όπως ορισμένα έλαια, μπορούν να αυξήσουν αυτή την τάση. Ο BOWES αναφέρει τέτοια πειραματικά αποτελέσματα τον πίνακα 2-2. Τέτοιες δοκιμές και τα στοιχεία τους μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό του δυναμικού της αυτανάφλεξης, αλλά επειδή δεν είναι δυνατόν να αναπαρασταθούν οι πραγματικές συνθήκες απόλυτα μέσα στον κλίβανο, η ακρίβεια των είναι περιορισμένη.

Πίνακας 2-2 Κύβοι πριονιδιών χωρίς ή με λάδι, εκτεθειμένα σε θερμοκρασίες αέρος
Μέγεθος κύβου 2r mm	Περιεχόμενο λάδι (%)	Θερμοκρασία έναυσης (°Q)
25.4	0	212
25.4	11.1	208
51	0	185
51	11.1	167
76	0	173
76	11.1	146
152	0	152
152	11.1	116
303	0	135
303	11.1	99
910	0	109
910	11.1	'65

 

Προαναμεμιγμένες Φλόγες

Μια προαναμεμιγμένη φλόγα είναι μια διαδικασία καύσης στην οποία το καύσιμο αέριο και ο αέρας (ή οξυγόνο) αρχικά αναμιγνύονται πριν την έναυση και την εν συνεχεία αναπαραγωγή. Σε περιορισμένο χώρο, μια τέτοια διαδικασία μπορεί να προκαλέσει απότομη αύξηση της πίεσης που εκδηλώνεται ως μια έκρηξη. Εάν αρκετή πίεση δημιουργηθεί πίσω απ' αυτή την αναπαραγόμενη φλόγα, ένα κύμα κρούσης μπορεί να σχηματισθεί μπροστά από τη φλόγα. Αυτό το γεγονός καλείται εκτόνωση. Ένα τέτοιο γεγονός δεν έχει μόνο πιθανότητες πρόκλησης μεγάλων ζημιών, αλλά η προωθημένη από την πίεση φλόγα σπρώχνει τη φλόγα σε υπερβολικά μεγάλες ταχύτητες. Παραδείγματα από προαναμεμιγμένες φλόγες δεικνύονται στο σχήμα 2-24.

 

Επιστρέφουμε στα πειράματα με το κερί: Όταν σβηστεί η φλόγα, ο άσπρος ατμός του κεριού και της καύσιμης ύλης, αναμιγνύεται με τον αέρα καθώς ανυψώνεται με το διακριτικό λοφίο του. Προσπάθειες για επανανάφλεξη του λοφίου ατμού θα πετύχουν, εφ' όσον η φλόγα έναυσης τοποθετηθεί στο ρεύμα του λοφίου του ατμού και στη σωστή συμπύκνωση. Τα αέρια καύσιμα θα "ανάψουν" σε συγκεκριμένα όρια συμπύκνωσης της καύσιμης ύλης. Για κάθε καύσιμο αέριο στην ατμόσφαιρα, υπάρχει ένα ανώτερο και κατώτερο όριο αναφλέξιμης συμπύκνωσης, όπου μπορεί να δημιουργηθεί διάδοση της φλόγας. Αυτές οι τιμές (συνήθως υπολογιζόμενες στους 25 °C του αέρος, με κανονική πίεση) διαφέρει ελαφρώς με την θερμοκρασία όπως φαίνεται στο σχήμα 2-25.