Frente de fogo

O fogo é um fenômeno complexo que se espalha até que tenha os materiais necessários para ser autossustentável (combustível e oxidante). A chama é o local onde ocorrem as reações físicas e químicas de combustão .

A propagação do fogo leva a definir os conceitos de:

• frente de fogo, ou frente de chama , no caso de incêndios florestais  ;
• frente de chama , usada principalmente no caso de uma chama de pré - mistura .

A frente da chama é uma área fina em que ocorre a combustão; ele separa dois meios: um meio contendo o combustível e um meio contendo os produtos resultantes da combustão (assim como o oxidante no caso de uma chama de difusão ).

O estudo da frente de chama no caso da pré-mistura é de capital importância nos campos da segurança industrial e civil  :

• Ele determina a eficiência dos motores de combustão interna , queimadores (portanto, caldeiras, fornos), etc.
• Ajuda a prevenir acidentes ou limitar suas consequências: aumento da chama em um tubo, propagação catastrófica ( rápida propagação do fogo , explosão ).

Chama de difusão

No caso de uma chama de difusão , a frente da chama também separa o combustível do oxidante.

Exemplo de vela

No caso típico da chama de uma vela (ou lamparina), a "chama azul" (zona da chama rica em oxidante) é aproximadamente um cone com uma base de raio de  4 mm (  8 mm de diâmetro).

Dentro desse cone, a “cera” da vela ( estearina ) derrete sob o efeito do calor, progride no pavio e depois volatiliza  ; o gás combustível progride por difusão em direção à frente da chama onde é consumido.

O oxidante , geralmente o oxigênio do ar , fica do lado de fora. O oxigênio é consumido na frente da chama, para a qual progride por difusão.

Gases de combustão quente, mais leves que o ar, sobem em uma corrente ascendente, criando um vácuo na base da vela de ignição que puxa o ar frio, permitindo que a combustão continue.

A difusão das moléculas obedece às leis de Fick . Parte do calor é transportado para cima pela convecção de gases quentes, outra parte é propagada horizontalmente por condução térmica , que obedece à lei de Fourier . Estima-se que por difusão o vapor do combustível vá a uma velocidade de cerca de 10  cm / s .

Se atingirmos um estado estacionário , podemos estimar que a energia térmica produzida pela chama é consumida internamente pela fusão e vaporização da estearina ( calores latentes de fusão e vaporização); fora, a temperatura ambiente é constante longe da sala (a vela não é suficiente para aquecer a sala).

No caso da chama da vela de microgravidade , não há convecção . A chama é hemisférica. Fora do hemisfério, os gases quentes produzidos pela reação produzem uma sobrepressão: de acordo com a lei dos gases ideais , a pressão aumenta com a temperatura, mas lá a temperatura muda da temperatura ambiente para gases frescos (cerca de 20  ° C , ou 293  K ) para cerca de 1.500  ° C ( 1.773  K ), a pressão é, portanto, multiplicada por 6. Isso cria um “vento” que se afasta da chama; isso, portanto, retarda a difusão do oxidante.

Chama pré-misturada

Gás em repouso

Quando o gás está em repouso no referencial (o observador não vê fluxo de gás, nem vento), geralmente temos uma chama esférica, sendo o centro da esfera o ponto de ignição. Também podemos ter uma chama esférica se propagando para o interior da esfera: a chama se espalhou pelo perímetro da sala e se propaga em direção ao centro.

Em um tubo, a esfera é "cortada" pelas paredes e é uma tampa que se propaga; ao final de uma certa distância percorrida, o raio torna-se muito grande e a calota parece plana, porém com uma deformação ao nível das paredes.

Em um tubo, podemos, portanto, estimar que temos uma frente de chama plana. Esta frente de chama separa duas zonas:

• por um lado, gás fresco, um combustível pré-misturado e oxidante, à temperatura ambiente (aproximadamente 20  ° C , ou seja, 293  K );
• do outro lado, os gases queimados, em alta temperatura (aproximadamente 1.800  ° C , ou aproximadamente 2.073  K ).

Como os reagentes já estão em contato, é a propagação do calor que determina o avanço da frente da chama. Isso é dado pela lei de Fourier .

Se D T é o coeficiente de difusão térmica e τ é o tempo de reação (o inverso da velocidade de reação ), a velocidade da frente da chama u L é então:

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

e a espessura da chama e é

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

Temos como ordem de magnitude para um gás fresco à temperatura ambiente  :

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

(Veja Boyer p. 67 e segs.) A velocidade de reação, 1 / τ, segue uma lei de Arrhenius , deduzimos que a velocidade da frente tem a forma

vocêeu=você0⋅exp⁡(-ENO2kT){\ displaystyle u _ {\ mathrm {L}} = u_ {0} \ cdot \ exp \ left (- {\ frac {\ mathrm {E_ {A}}} {2k \ mathrm {T}}} \ right) }

onde E A é a energia de ativação , k é a constante de Boltzmann e T é a temperatura absoluta do gás fresco.

Fluxo de gás pré-misturado

Observação Ao longo da seção, as noções de velocidade e imobilidade são em relação ao referencial do laboratório, em relação a um observador estacionário na Terra. O eixo x é orientado do gás fresco para o gás de combustão, da fonte para a saída.

Freqüentemente, há um suprimento de fluxo de gás.

Considere o caso de um tubo. Se o gás é estacionário, a frente de chama é plano e progride a uma velocidade de - u L .

Se impormos um fluxo de gás a uma velocidade v g menor que u L ,

u L > v g ,

então a chama sempre progride em direção à fonte, mas mais lentamente, a uma velocidade - ( u L - v g ).

Se a velocidade do gás fresco for igual à velocidade da chama

u L = v g

então a chama permanece imóvel no tubo. Este caso é interessante porque, por um lado, permite estudar de forma simples a frente da chama, por ser imóvel, e por outro lado, permite simplesmente calcular a velocidade de ejeção dos gases queimados. Na verdade, não pode haver acúmulo de gás na tubulação; durante um tempo t , a reação consome um volume u L ⋅S 0 ⋅ t , e produz um volume k vezes maior de gás; k é 6 ou mais. A velocidade de ejeção é, portanto,

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

portanto, os gases são ejetados a uma velocidade pelo menos 6 vezes superior à velocidade frontal, da ordem de 200  cm / s (aprox. 7  km / h ).

Se a velocidade do gás fresco for maior que a velocidade da chama

u L < v g ,

então a chama avança em direção à saída. Para velocidades moderadas, temos uma chama cônica que fica "enganchada" na saída.

Na verdade, no caso de um fluxo em uma tubulação, o gás é sujeito a uma fricção de fluido com as paredes, a velocidade é, portanto, mais lenta na borda do que no centro. Existe, portanto, um lugar em que a velocidade do fluido é igual à velocidade da chama; a chama, portanto, permanece imóvel lá e evita que a chama se apague.

Chama cônica

A forma cônica deve-se, portanto, a um gradiente de velocidade do gás fresco entre o centro do tubo e a borda, sujeito à fricção do fluido. Não é um cone perfeito, mas faremos essa suposição simplificadora.

No caso da chama plana estacionária ( u L = v g ), a frente da chama tem a seção do tubo, S 0, como sua superfície . O consumo de gás fresco por combustão é igual ao fluxo de gás

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

A chama cônica tem uma superfície maior. Se α é o meio-ângulo no topo, então a superfície S da frente da chama vale (cf. Cone (geometria)> Caso do cone de revolução ):

S=S0pecado⁡α{\ displaystyle \ mathrm {S} = {\ frac {\ mathrm {S} _ {0}} {\ sin \ alpha}}}

O consumo de gás vale u L ⋅S (a velocidade da frente da chama permanece inalterada), e deve ser igual ao fluxo:

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

é

vocêeu⋅S0pecado⁡α=vg⋅S0{\ displaystyle u _ {\ mathrm {L}} \ cdot {\ frac {\ mathrm {S} _ {0}} {\ sin \ alpha}} = v _ {\ mathrm {g}} \ cdot \ mathrm { S} _ {0}}

e entao

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

aqui encontramos o fato de que quanto maior o fluxo, mais a chama é reduzida. O aumento da vazão é compensado por um alongamento da chama, que aumenta a área de superfície da frente, o que provoca um aumento no consumo e, portanto, na energia térmica.

Enquanto o fluxo de gás fresco está no eixo do tubo, os gases queimados escapam "na diagonal". Na verdade, se considerarmos um plano frontal, os gases escapam perpendicularmente a este plano; aqui, sua velocidade é o composto da velocidade inicial do gás fresco e da velocidade de exaustão perpendicular à superfície do cone. Em seguida, suas curvas de trajetória tornam-se verticais (sobem por impulso de Arquimedes)

Fluxo turbulento

No caso de um fluxo turbulento , a turbulência irá deformar a frente da chama. Em particular, os vórtices ( vórtices ) criados por um obstáculo ( allée de Bénard-Von Karman ) irão deformar a frente ao cruzá-la, dando origem a uma frente “pregueada”. No caso extremo de vórtices grandes, pode-se ter uma frente de chama que se enrola ao redor do vórtice, proporcionando uma área de superfície muito grande.

O enrugamento aumenta a área de superfície da frente da chama e, como no caso de uma chama cônica, isso resulta em um aumento no consumo de gás e, portanto, em um aumento na potência térmica.

Por razões de compactação do queimador, da caldeira, do reator, é portanto vantajoso ter o fluxo mais turbulento possível, a fim de ter a maior superfície frontal da chama para um determinado volume (ver Superfície específica ). Isso permite aumentar a relação potência / volume e potência / peso, o que é essencial no caso da aeronáutica.

Além disso, a presença de um obstáculo no fluxo fará com que o fluxo a montante diminua e, portanto, constituirá um porta-chama.

A turbulência é criada pela fricção do gás nas paredes e obstáculos. A presença de turbulência é, portanto, condicionada pela velocidade do fluido e por sua viscosidade , sua capacidade de transmitir variações de velocidade. Eles aparecem quando o número de Reynolds R e é alto, isto é, quando a velocidade é alta. Aqui, novamente, portanto, o aumento na taxa de fluxo causa o aumento na potência.

Estabilidade frontal plana Canção da chama

Bibliografia

 : documento usado como fonte para este artigo.

• Louis Boyer , Feu et flammes , Paris, Belin, col.  "Pela ciência",2006, 189  p. ( ISBN  2-7011-3973-2 )

Notas e referências

1. As cores são alteradas para amplificar as diferenças na chama.
2. Boyer p. 62
3. Se aplicarmos a equação do gás ideal, temos k=NÃObNÃOf⋅TbTf{\ displaystyle k = \ mathrm {\ frac {N_ {b}} {N_ {f}}} \ cdot \ mathrm {\ frac {T_ {b}} {T_ {f}}}} onde N b é o número de moléculas de gás queimado geradas, N f é o número de moléculas de gás fresco consumidas e T b e T f são as temperaturas absolutas dos gases queimado e fresco, respectivamente; no caso da combustão de metano, temos N b = N f , e a relação de temperatura é tipicamente 6