Tuberías de gas - ¿por qué la gasolina quema "hacia afuera"?

Question

He pensado muchas veces si un cilindro de gas está conectado a una cocina (por ejemplo, o un calentador o lo que sea) y alguien gira la perilla para permitir que el gas fluya, ¿por qué cuando se sostiene una llama para encender el gas no es posible que el gas recién encendido (es decir, gas encendido) viaje de regreso a través del tubo hacia la fuente, encendiendo así el gas en el cilindro?

¿Es porque el gas se mantiene a presión, de modo que el gas escapa de las tuberías con presión y de alguna manera arde hacia "afuera", en lugar de regresar por el tubo?

Answer 1

Una llama de gas es básicamente un frontal de reacción (química), una capa delgada en la que un hidrocarburo (por ejemplo, metano) se oxida de acuerdo a:

$$\text{CH}_4(g) + 2\text{O}_2(g) \to \text{CO}_2(g) + 2\text{H}_2\text{O}(g)$$

Esta reacción de oxidación es conocida coloquialmente como quemar o combustión. Es evidente a partir de la ecuación que la combustión necesita cantidades necesarias de oxígeno, $\text{O}_2$, proveniente del aire que contiene aproximadamente un $20$ por ciento de él.

Sin embargo, para que la reacción sea viable, la proporción de combustible a oxígeno, aquí:

$$\frac{\text{CH}_4}{\text{O}_2}$$

debe estar dentro de ciertos límites. Demasiado $\text{CH}_4$ y la combustión no es posible. De manera similar, si hay demasiado $\text{O}_2$, la reacción no avanza.

La proporción es óptima en el frontal de reacción, pero no fuera de él. Dentro del tubo no hay suficiente oxígeno para mantener la combustión.

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También existe algo llamado llama inversa (o inversa). En este video, el oxígeno arde dentro de una atmósfera de propano:

Foto de arriba: oxígeno quemando en propano.

A continuación, para comparación, el propano arde en el aire:

Answer 2

Gert explicó por qué la llama no puede viajar de regreso al cilindro (porque no hay oxígeno). Sin embargo, eso en realidad no explica por qué la llama no viaja hacia la hornilla en sí misma, ya que las hornillas (en particular las hornillas Bunsen/Teclu, pero también las hornillas de cocina/camping) en realidad premezclan el gas con aire dentro del tubo de la hornilla, ¡pero aún así solo se quema afuera!

La razón por la que esto funciona es que la salida de la hornilla forma un arrestador de llama. Está hecho de metal termoconductor, que mantiene el gas que sale de las aberturas de la hornilla frío. Además, los agujeros de algunas (¿la mayoría? no estoy seguro) hornillas están terminados con un poco de malla de alambre, que también evita que el frente de calor coma "hacia el interior" del chorro de gas. Y el gas, incluso cuando se mezcla con oxígeno, solo puede arder a una temperatura suficientemente alta. Normalmente la llama mantiene esta temperatura por su propia reacción exotérmica, pero al disipar ese calor lo suficientemente rápido es posible evitar la quema en el tubo.

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La razón para premezclar gas y aire es que conduce a una llama más limpia, sin hollín, y también más caliente.

Answer 3

La combustión requiere que la relación entre el combustible y el oxígeno en el aire se encuentre dentro de un rango específico, que es diferente para cada tipo de combustible. Hay diferentes puntos de corte para la ignición, para la quema sostenida y para la deflagración. Demasiado lejos de la fuente de gas, no hay suficiente gas para quemar. Dentro del tubo, hay demasiado gas y no suficiente oxígeno.

Answer 4

Estoy asumiendo que estás hablando de quemadores pre-mezclados. Si no hay premezcla del gas con oxígeno/aire, la respuesta a tu pregunta es trivial: No hay combustión sin gas combustible y oxígeno. Sin embargo, todos los buenos quemadores utilizan premezcla: El gas se mezcla con aire en un mezclador separado antes de ingresar al quemador real. Y para esos, la respuesta no es tan trivial.

El truco de los quemadores premezclados es que cada mezcla de gas combustible tiene una cierta velocidad de llama. Si la mezcla de gas se mueve más rápido que esta velocidad de llama, la frente de llama básicamente es arrastrada con la mezcla.

Ahora, cuando pasas una mezcla de gas combustible a través de un tubo a una velocidad que excede su velocidad de llama, y la dejas salir de este tubo, se crearán pequeños remolinos en el borde del flujo de gas y el gas en los bordes se ralentizará por el aire circundante. Esta desaceleración en combinación con la recirculación de los gases calientes por las turbulencias permite que la frente de llama se adhiera al borde del tubo, y luego se abra paso progresivamente hacia el flujo de mezcla no quemado. En otras palabras, el borde del tubo actúa como un sostenedor de llama.

Los sostenedores de llama pueden construirse de diferentes maneras: Pueden ser simples mallas metálicas (algunas estufas), o pueden ser bordes de tubos (estufas de cocina típicas), o pueden ser más elaborados como cámaras de combustión de vortex (sopleteadores). Pero todos operan en el mismo principio de que la velocidad de flujo del gas premezclado es más rápida que su velocidad de llama, lo que hace imposible que la llama entre en las aberturas del suministro de gas hacia atrás.

El artículo de wikipedia sobre llamas premezcladas parece tener más detalles sobre esto.

(Por cierto, por eso cada cocina de gas tiene un tamaño mínimo de llama: Si regulas demasiado una cocina de gas, la velocidad de la mezcla se vuelve más lenta que la velocidad de llama en el sostenedor de llama, y se produce un retroceso de llama. Los diseñadores de estufas no quieren esto por razones obvias, por lo que construyen las válvulas para evitar esta condición.)