Forma, longitud y estabilidad de las llamas

FORMA Y LONGITUD DE LAS LLAMAS.

En las llamas de premezcla se observa un cono interno cuya superficie constituye el frente de llama en el que tiene lugar toda la reacción del aire primario con la parte de combustible correspondiente; si la premezcla es total, la reacción acaba ahí, pero en caso contrario, el resto del combustible sigue quemando en el llamado cono externo tomando aire (secundario) del exterior por difusión. En general, el cono interno tiene color azul debido a la presencia de radicales de OH., pero en mezclas con poco aire la tonalidad es verde.

Si las llamas son de difusión, en las que el combustible puede ser un gas, o una fase condensada (sólido o líquido) y el oxidante es un gas, el color de las llamas va del amarillo al rojo brillante anaranjado debido a la formación del hollín. La forma de las llamas laminares es acicular, mientras que el de las turbulentas es irregular, para variar las formas y longitud de las llamas se adoptan chorros divergentes o chorros giratorios. Así, con chorros giratorios se consiguen llamas cortas, llamas en bola o llamas dobles. En la figura se muestran las llamas típicas utilizadas.

ESTABILIDAD DE LAS LLAMAS.

Aunque la proporción de mezcla de gas-aire se halle dentro de los límites de inflamabilidad, no siempre se consiguen llamas estables. Si se aumenta la velocidad de la mezcla de gases, la llama se separa de la boca de salida y puede incluso desprenderse y extinguirse. Por el contrario, disminuyéndola puede retroceder y llegar incluso a prender en el inyector ( en un quemador tipo Bunsen).

En la figura se plantean 3 situaciones posibles de los perfiles de velocidades en la boca de salida de un quemador. La salida de gases de la boca tiene un perfil de velocidades que también es nulo en la pared y crece hacia el centro del orificio (aproximadamente el perfil de u se dibuja recto pero es parabólico). En el caso a) la velocidad u_L supera a la u, con lo que habrá retroceso; en el caso c), por el contrario, habrá desprendimiento; el caso b) corresponde a situación estable.

Debido al efecto de la pared, como ya se dijo, existe una distancia de extinción de llama / en la que no puede tener lugar la reacción y en la que la velocidad de propagación de la llama es, por tanto, nula. La velocidad de salida de gases adopta un perfil de tipo parabólico, de modo que la velocidad local crece desde o en la pared hasta un máximo en el eje.

En el caso a) la velocidad de propagación supera la de salida de gases, con lo que el frente de llama retrocede; en el caso b) se igualan ambos valores, y la llama se estabiliza; en el caso c) la velocidad de salida supera a la d propagación, con lo que la llama se desprende.

El fenómeno no es tan simple como se ha expuesto, ya que existen fenómenos superpuestos: cuando la llama tiende a elevarse, por ejemplo, se altera el perfil de u_L, varía la posición de la distancia de extinción y la llama sigue prendida. De hecho, se pueden calcular, además de la distancia de extinción, dos nuevas distancias, llamadas de inhibición de retomo de llama y de inhibición del soplado, dentro de cuyos márgenes se tiene estabilidad completa. En la figura este efecto se visualiza con las dos posiciones extremas de las curvas de trazos en el caso b).

En el estudio experimental del fenómeno se dibujan diagramas de estabilidad, como el de la figura, en el que, además de las curvas de desprendimiento y retroceso, también se han trazado las de aparición de puntas amarillas y de formación de CO, propias de combustiones incompletas. En la figura se dan fórmulas que permiten calcular las velocidades límite de desprendimiento y retroceso.

Un sistema utilizado para evitar fenómenos de desprendimiento es el uso de las llamadas llamas de retención. Al estar formadas por gas a menor velocidad, ellas mismas son estables, y favorecen la retención de la llama principal por una doble circunstancia: en primer lugar transmiten calor a la base de la llama, con lo que aumenta la velocidad de propagación; además ambas desempeñan el papel de llamas piloto, con lo que resuelven problemas de extinción por soplado.

En cuanto a las llamas turbulentas, los problemas de estabilización son más complejos, ya que si bien la velocidad de propagación de la llama alcanza valores del orden de los metros por segundo, en algunos quemadores (turbo jet) las velocidades de las mezclas son del orden de los 50rn/s. En estos casos, la estabilización se asegura mediante la recirculación de los productos de combustión o intercalando obstáculo, como se esquematiza en la figura.