Der konvektive Stofftransport als geschwindigkeitsbestimmender Schritt in Tankflammen und seine Analogie zur Ausbreitung luftfremder Stoffe in der Atmosphäre)

Abstract

Der Stofftransport in n‐Hexan‐ und n‐Butan‐Tankflammen wurde aus gemessenen Konzentrationsverteilungen von Ruß. Brennstoff. Sauerstoff und Kohlendioxid ermittelt unter Beachtung der aus Langzeitaufnahmen erhaltenen Flammenkontur. – Die Verbrennungsvorgänge in Tankflammen laufen vorwiegend in einer dünnen Mantelzone des Flammenhalses ab, wobei der effektive Transport des Brennstoffes in diese Zone der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist. – In dem Flammenhals entsteht im wesentlichen durch thermische Crackung eines geringen Anteils des Brennstoffs Ruß, dessen Konzentration mit einer empirisch ermittelten Pyrolyseformel berechnet wird. Der größte Anteil des Brennstoffs n‐Butan wird im Flammenhals entsprechend dem 2. Fickschen Gesetz zu der Mantelzone transportiert, jedoch mit einem effektiven Diffusionskoeffizienten von Deff = 1,1 · 10−3 m2/s, der etwa um den Faktor 10 größer ist als der molekulare Diffusionskoeffizient. – In dem turbulenten Gebiet über dem Flammenhals (Flammenfahne), das etwa 2/3 der gesamten sichtbaren Flammenerscheinung ausmacht, läßt sich von den eingesetzten Brennstoffen n‐Butan und n‐Hexan praktisch nichts mehr nachweisen. Hier findet ein turbulenter Stofftransport von Ruß, Kohlendioxid und Sauerstoff statt, deren Konzentrationsfelder sich mit einem statistischen Gauß‐Ausbreitungsmodell berechnen lassen. Es wurden ortsabhängige, turbulente Stoffaustauschgrößen Ky(x) berechnet, die für die n‐Butan‐Tankflamme bis um den Faktor 5 größer sind als der effektive Diffusionskoeffizient Deff im Flammenhals. Der für den turbulenten Stofftransport maßgebende Ausbreitungsparameter f ist für die drei genannten Stoffe ähnlich und größenordnungsmäßig gleich dem entsprechenden Ausbreitungsparameter luftfremder Stoffe in der Atmosphäre. Schließlich wurden die ortsabhängigen Stoffaustauschgrößen dadurch erklärt, daß die Abmessungen der Wirbel in derselben Größenordnung liegen wie die momentanen Flammenbreiten.