Flamme

eine Flamme erhitzt die Luft und erzeugt durch geringere Dichte den Auftrieb
Foto: Rainer Schwarz

Flammen im Ofen
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Flamme auf dem Gasherd; der Anzünder und das Gas dürfen nicht in der Nähe der Kochstelle sein.
Foto: Rainer Schwarz

mit dem Schweißbrenner können auch Schrauben gelöst werden. BR 0709

Als Flamme wird der Bereich brennender oder anderweitig exotherm reagierender Gase und Dämpfe bezeichnet, in dem Strahlung im sichtbaren Spektralbereich emittiert wird.

Vorgang

Die bei einer Reaktion freigesetzte Strahlung wird im Wesentlichen durch die Molekülbanden (Vibrations- und Rotationsbanden) und Feststoffpartikel und Aerosole wie durch den Ruß in Ölflammen hervorgerufen. Diese Feststoffpartikel emittieren ein Strahlungsspektrum, das dem eines schwarzen Strahlers bei der Temperatur in der Flamme entspricht. Die direkte Aktivierung der Linienstrahlung von Atomen trägt zur (Licht-)Strahlung der Flamme bei. Die Wellenlänge der Strahlung ist charakteristisch für die in der Reaktionszone vorhandenen Moleküle und Temperaturen.

Bei den meisten technischen Anwendungen ist mit dem Begriff „Flamme“ die sichtbare Reaktion eines Brennstoffs mit dem oxidierenden Sauerstoff gemeint. Der Reaktionsbereich umfasst die Vorwärmzone, die Reaktionszone und die Gleichgewichtszone. Die Flamme bildet sich aus der Reaktionszone heraus. Dies führt meistens zu einem intensiven Leuchten, das den Reaktionsbereich scharf abgrenzt (Flammfront) und verschiedene Farbtöne annehmen kann. Ein bedeutsamer Anteil an der Flammenfärbung wird durch verschiedene Bestandteile in der Reaktionszone hervorgerufen.

• gelb bis orange: durch (glühende) Rußteilchen (Größenordnung einige 10 nm) ihr Emissionsspektrum entspricht annähernd dem eines Schwarzen Strahlers,
• blau bis türkis: durch angeregte CO₂- und CH-Radikale.

Begriffe

Dagegen strahlen die Reaktionsprodukte der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen (CO₂ und H₂O) nur im (nicht sichtbaren) infraroten Spektralbereich. Sind in der Flamme eingebrachte Verunreinigungen vorhanden, kommt es zu intensiven Flammenfärbungen, deren Farbton von den Inhalten abhängt. Hier trägt hauptsächlich die Strahlung energetisch tief liegender Resonanzübergänge (erster angeregter Zustand) zum Flammenleuchten bei. Eine besonders einfache Farbänderung ins Gelbe lässt sich durch den Natriumanteil im Kochsalz erreichen. Angewendet wird diese Möglichkeit bei Feuerwerkskörpern, die in allen Farben des Farbkreises reagieren.

Bei „vorgemischten Flammen“ liegt ein homogenes Gemisch reagierender Gase vor (so bei einem Bunsenbrenner), bei Diffusionsflammen, wie etwa bei einer Kerze, werden Brennstoffe und Oxidationsmittel getrennt zusammengefügt. Es gibt auch Zwischenformen dieser beiden Flammentypen bei teilvorgemischten Flammen.

• Als Reduktionsflamme (leuchtende Flammen) wird eine Flamme mit niedrigem Sauerstoffanteil bezeichnet. In der Flamme bildet sich dabei vorwiegend Ruß, der für das intensive Leuchten der Flamme verantwortlich ist.
• Oxidationsflammen enthalten Sauerstoff im Überschuss. Wegen des geringen Rußanteils leuchten sie nur schwach (Beispiel: Erdgasflamme).

Vorlage:AnkerEine Stichflamme entsteht, sobald sich ein oxidationsfähiges unter Druck stehendes Gasgemisch plötzlich mit Sauerstoff verbinden kann. Dabei muss die Aktivierungsenergie dieser Reaktion durch eine äußere Zündquelle erreicht werden, insbesondere wenn die Zündtemperatur des jeweiligen Reaktionsgemisches überschritten wird.

Trivia

Die bisher heißeste Flamme entsteht bei einer Reaktion mit Dicyanoethin und Ozon bei 40 bar Druck und erreicht eine Flammentemperatur von etwa 6.000 °C. Die theoretischen Verbrennungstemperaturen von Kohlenwasserstoffen mit Luft liegen um 2.000 K.

Solche bei Idealbedingungen möglichen Temperaturen werden in alltäglichen Flammen bei weitem nicht erreicht. Sehr heiße Flammen treten auch bei den Trägerraketen für Weltraumsatelliten aus.

siehe auch:

• Feuer, Feuerung, Flammenfärbung, Kirchhoffsches Strahlungsgesetz, Vormischflamme, Diffusionsflamme, Teilvormischflamme

Quellen:

• Vorlesungsumdruck Technische Verbrennung, Peters, RWTH Aachen

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