Llama fría

Una llama fría es aquella que tiene una temperatura típica de unos 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 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 ]}  

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 nítida cuando el alambre deja de estar encendido. Esta aparición está relacionada con la formación de una sustancia volátil peculiar y acre con propiedades ácidas». ^{[ 5 ] : 79} Después de notar que ciertos tipos de llama no le quemaban los dedos ni encendían una cerilla, también descubrió que esas llamas inusuales podían transformarse en llamas calientes y que, en 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 ]}

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 convencionalmente se establece como una temperatura a la cual la llama puede detectarse a simple vista en una habitación oscura (las llamas frías son difícilmente visibles a la luz del día). Esta temperatura depende ligeramente de la proporción de combustible a 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 (en 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 (véase la tabla ^{[ 8 ]} ). ^{[ 2 ]}        

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

Una llama fría no se inicia instantáneamente tras alcanzar la presión y la temperatura umbral, sino que requiere un tiempo de inducción. Este tiempo disminuye y la intensidad del brillo aumenta con la presión. Con el aumento de la temperatura, la intensidad puede disminuir debido a la desaparición de los radicales peroxi necesarios para las reacciones de brillo mencionadas. ^{[ 8 ]}

Se han logrado llamas de difusión frías, estables y autosostenidas mediante la adición de ozono a la corriente de oxidante. ^{[ 12 ]}

Mientras que en una llama caliente las moléculas se descomponen en pequeños fragmentos 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 al encenderse una llama fría es de unas pocas decenas de grados Celsius, mientras que es del orden de 1000 °C (1830 °F) para una llama caliente. ^{[ 2 ] [ 13 ]}  

La mayoría de los datos experimentales pueden explicarse mediante el modelo que considera la llama fría como una reacción química lenta donde 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 ]}

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 en microgravedad que queman gotas y gases ^{[ 15 ]} y en contracorriente en gravedad normal ^{[ 12 ]} y llamas estratificadas. ^{[ 16 ]}

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 caliente premezclada viaja suavemente en la cámara de combustión desde la bujía, comprimiendo la mezcla de combustible y aire que tiene delante. Sin embargo, el aumento concomitante de presión y temperatura puede producir una llama fría en la última mezcla de combustible y aire sin quemar (los llamados gases residuales) y participar en la autoignición de los gases residuales.

Esta liberación repentina y localizada de calor genera una onda de choque que se propaga por la cámara de combustión, y cuyo aumento repentino de presión produce un golpeteo audible. Peor aún, la onda de choque altera la capa límite térmica en la superficie del pistón, provocando sobrecalentamiento y eventual fusión. La potencia de salida disminuye y, a menos que se corte rápidamente el acelerador (o la carga), el motor puede sufrir daños en cuestión de minutos. La sensibilidad de un combustible a la ignición por llama fría depende en gran medida de la temperatura, la presión y la composición.

Es probable que la iniciación de la detonación por llama fría solo ocurra en condiciones de funcionamiento con alta estrangulación, ya que las llamas frías se observan a bajas presiones. En condiciones normales de funcionamiento, la autoignición se produce sin ser desencadenada por una llama fría. Si bien la temperatura y la presión de la combustión están determinadas en gran medida por el motor, la composición puede controlarse mediante diversos aditivos antidetonantes. Estos últimos tienen como objetivo principal eliminar los radicales (como el CH₂O _* mencionado anteriormente), suprimiendo así la principal fuente de la llama fría. ^{[ 17 ]}

• Fuego
• Llama
• Plasma (física)

• Peter Gray; Stephen K. Scott (1994). Oscilaciones e inestabilidades químicas: cinética química no lineal . Oxford University Press. pp.  429 y ss. ISBN 0-19-855864-3.- una explicación de la naturaleza oscilatoria de la llama fría.