El misterio de las centellas (1331)

El misterio de las centellas (1331)

imageLlamas de vela en microgravedad *Experimento # 8 de la guantera USML-1

INTRODUCCIÓN

Al comenzar una famosa serie de conferencias y experimentos con velas en las décadas de 1830 y 1840, Michael Faraday, el descubridor científico de muchos principios de la electricidad, declaró: «No hay nada mejor, no hay más puertas abiertas por las que se pueda entrar al estudio de la filosofía natural (ciencia) que considerando los fenómenos de una vela…» (Faraday, reimpresión de 1988). Así, las llamas de las velas han sido objeto de estudio científico durante más de 150 años; más recientemente, las velas se utilizaron para estudiar el parpadeo de la llama y las oscilaciones de la llama espontáneas, cercanas a la extinción (Chan y T’ien, 1978).

Esta investigación de microgravedad de las llamas de las velas fue concebida y desarrollada por el Dr. Howard Ross del Centro de Investigación Lewis de la NASA, el Dr. Daniel Dietrich de Nyma, Incorporated y el Profesor James T’ien de la Universidad Case Western Reserve. La investigación cuenta con el apoyo de la División de Aplicaciones y Ciencias de Microgravedad de la Sede de la NASA.

DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA CIENCIA

imageLa llama de una vela se utiliza a menudo para ilustrar los complicados procesos fisicoquímicos de la combustión. La propia superficie de la llama representa el lugar donde el vapor de combustible y el oxígeno se mezclan a alta temperatura y reaccionan exotérmicamente. El calor de la llama derrite la cera (típicamente un hidrocarburo de carbono 20 a carbono 35) en la punta de la vela. El líquido se eleva por capilaridad por la mecha, acercándolo a la llama. Esta proximidad hace que la cera líquida se vaporice. Los vapores de cera luego migran hacia la superficie de la llama, descomponiéndose en hidrocarburos más pequeños en el camino. El oxígeno de la atmósfera general migra hacia la superficie de la llama también por difusión y convección. La supervivencia y la ubicación de la superficie de la llama están determinadas por el requisito de que todos estos procesos se equilibren continuamente.

En gravedad normal, se desarrolla una convección flotante debido a los productos de combustión menos densos y calientes. (Recuerde el adagio «sube el aire caliente»). Esto tiene varios efectos:

El calor y los productos fluyen hacia arriba y se alejan en una columna estrecha por flotabilidad, y el oxígeno fresco en el flujo de aire se transporta hacia la zona de la llama.

Las partículas sólidas de hollín se forman en la región entre la llama y la mecha y se convencen hacia arriba, donde se queman, produciendo la punta amarilla brillante de la llama.

Superando la pérdida de calor por flotabilidad, la llama se ancla cerca de la mecha.

La combinación de estos efectos, como se muestra en la figura 1, hace que la llama tenga la forma de una lágrima.

En ausencia de convección flotante, como en la microgravedad, el suministro de oxígeno y vapor de combustible a la llama está controlado por un proceso mucho más lento de difusión molecular. Al no haber «arriba» o «abajo», la llama tiende a formar una esfera. El calor perdido en la parte superior de la vela sólida hace que la base de la llama se apague y solo se vea una parte de la esfera. El suministro de oxígeno y combustible y la temperatura de la llama se reducen hasta el punto de que se forma poco o nada de hollín, como lo demuestra una llama completamente azul. Al equilibrar estos efectos, la llama se ancla lejos de la mecha, de modo que se reduce la velocidad de combustión, es decir, la cantidad de cera consumida por unidad de tiempo.

En la figura 2, se tomaron fotografías de la llama de la vela en microgravedad durante la prueba en una torre de caída de 5 segundos. Se usó un alambre calentado eléctricamente para encender la vela, y luego se retiró 1 segundo en la gota (figuras 2 (a) y (d)). Como puede ser, la llama se estabiliza rápidamente a partir de entonces y su forma parece ser constante durante el resto del tiempo de la prueba de microgravedad, es decir, 2, 3, 4 y 5 segundos después del inicio de la prueba (figs. (e) a (h), respectivamente). Según estos resultados, una vela arderá en el transbordador, pero quedan dudas sobre su supervivencia a largo plazo. Si el oxígeno no se difunde lo suficientemente rápido hacia el frente de la llama, la temperatura de la llama disminuirá. En consecuencia, se reducirá la retroalimentación de calor a la vaporización de la cera de la vela. Si la temperatura de la llama y estos otros procesos caen por debajo de los valores críticos, la llama de la vela se apagará. Las pruebas a bordo del transbordador espacial previstas para el USML-1 harán esta determinación.

También se pueden observar interacciones de llamas (dos llamas muy próximas). Debido a que la forma aparente de la llama de la vela de baja gravedad es aproximadamente esférica, su comportamiento puede ser análogo en algunos aspectos a la combustión de gotitas de baja gravedad. Aquí es interesante ver, en un ambiente puramente inactivo, cómo se comportan dos llamas vecinas. Una posible aplicación de los resultados es proporcionar una guía temprana hacia el desarrollo de un experimento de combustión de matriz de gotas (pulverización idealizada). Desde una perspectiva de transferencia de calor, la influencia de las llamas vecinas ayudará a promover y mantener la combustión, ya que las pérdidas de calor de las llamas se reducen con la presencia de cada una. Sin embargo, desde la perspectiva de la transferencia de masa, ambas llamas compiten por el mismo oxidante, también necesario para la combustión, por lo que se puede promover la extinción temprana. Aqui otra vez, la ventaja de un simple experimento de transbordador espacial es evidente: la distancia de separación y el comportamiento del sistema de dos llamas pueden ser ajustados mucho más fácilmente por un miembro de la tripulación entrenado que por algún proceso automatizado.

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

imageSe necesitan dos módulos para ejecutar los experimentos: una caja de partes de velas, que contiene cables, encendedores, portavelas, etc., y una caja de velas en la que se montará la vela. Como se muestra en la figura 3, las caras de la caja de plástico para velas tienen un grosor de 4 1/2 pulgadas por 4 1/2 pulgadas por 3/8 de pulgada. Hay alrededor de 100 agujeros de 1/8 de pulgada en cada una de las seis caras. Los orificios permiten que el aire fresco llegue a la vela pero evitan que un guante u otro material se encienda accidentalmente. La caja en sí proporciona masa térmica para evitar que tanto los productos de combustión que se difunden a través de los orificios como la caja de velas estén por encima de los límites de temperatura de contacto.

Normalmente, se colocará una vela en el centro de la cara derecha. Para el experimento de las dos velas, se montará una segunda vela, cuya posición es ajustable, en el centro de la cara izquierda (como se muestra arriba). También en la cara derecha de la caja de velas hay una abertura cubierta suave a través de la cual se puede empujar el encendedor. También se muestra una etapa de traslación que es capaz de mover uno o dos termopares a través de la llama para obtener la temperatura.

Se utilizarán velas de 3/16 de pulgada de diámetro y aproximadamente 1/2 pulgada de largo; el tipo de vela es 80% de cera de parafina con 20% de ácido esteárico (Carbono 18 Hidrógeno 36 Oxígeno 2), para impartir dureza y reducir las características de goteo. La temperatura de fusión es de aproximadamente 155 grados F.

El encendido se realiza a través de un encendedor de alambre caliente alimentado por electricidad. El encendedor se puede activar solo si dos interruptores, ubicados en forma remota, se cierran simultáneamente y si el cartucho está en su lugar. La caja de velas está montada permanentemente en un soporte de aluminio de 2 a 3 pulgadas de alto para asegurar que esté centrada en la caja de guantes. En el stand hay pantallas de termopar y conectores eléctricos.

Las llamas se observarán en vistas ortogonales mediante cámaras de video y posiblemente una cámara réflex de lente única (SLR) de 35 mm. La salida de los termopares está conectada a través de un circuito amplificador/acondicionador a pequeñas pantallas. Las pantallas de temperatura se observarán a través de una de las cámaras de video.

La instalación de la guantera proporciona energía eléctrica y cámaras de video.

SECUENCIA OPERATIVA

Están previstas cuatro pruebas: una sola vela; una sola vela con medidas de termopar; dos velas; y una repetición de una de las pruebas anteriores. Cada prueba de velas requiere una actividad sustancial de la tripulación.

Durante el lanzamiento y el reingreso, la caja de velas y la caja de piezas de velas se guardan en un cajón acolchado de espuma. En órbita, un miembro de la tripulación coloca primero la caja de velas dentro de la guantera y conecta la caja de las partes de la vela al exterior de la caja de guantes, luego saca la(s) vela(s) y el encendedor de la caja de partes de la vela y los instala dentro de la caja de guantes. Una vez realizadas y verificadas las conexiones eléctricas, el equipo coloca las cámaras enfocadas en un área de 1 pulgada por 1 pulgada alrededor de la punta de la vela y en las pantallas del termopar.

Luego, el miembro de la tripulación activa el encendedor y enciende la(s) vela(s). La fotografía y las mediciones de temperatura continúan hasta que la llama se apaga o hasta que pasa un período de tiempo fijo. A continuación, se enciende el ventilador de la guantera para enfriar la guantera y rellenar la guantera con aire normal. Después de aproximadamente 1 minuto, puede continuar la siguiente prueba.

ANÁLISIS DE DATOS POSTVUELO

imageLas grabaciones de video del experimento se analizarán utilizando técnicas de mejora de imágenes por computadora. La imagen mejorada y las temperaturas registradas y los niveles de aceleración residual (y la concentración de oxígeno del registrador de datos de Spacelab) se compararán con una simulación por computadora del proceso de encendido de la vela. La conciliación de los dos conjuntos de datos debería proporcionar nuevos conocimientos sobre el proceso básico de combustión.

RESUMEN

El Centro de Investigación Lewis de la NASA ha estado involucrado en la investigación de materiales, energía y propulsión aeroespacial desde la apertura de 1941 y en la investigación de microgravedad desde principios de la década de 1960. Lewis es el centro líder en ciencia de combustión por microgravedad, con más de 20 proyectos en curso.

Preparación de experimento, las llamas de las velas requieren pruebas en base en la Tierra, instalaciones de baja gravedad. Lewis mantiene cuatro instalaciones: un DC-9 y un Learjet, que proporcionan hasta 20 segundos de pruebas a aproximadamente 1/100 de la gravedad normal; y dos torres de caída, que proporcionan 2 o 5 segundos de prueba, respectivamente, a menos de 1/100,00 de la gravedad normal.

REFERENCIAS

· Carleton, F.; and Weinberg, F.: Electric Field-Induced Flame Convection in the absence of Gravity. Combustion Experiments During KC-135 Parabolic Flights, ESA SP-1113, B. Kaldich, ed., European Space Agency, Paris, France, 1989, pp. 21-24

· Chan, W.; and T’ien. J.: An Experiment on Spontaneous Flame oscillation Prior to Extinction. Combustion Sci. Technology., vol. 18, no. 3-4, 1978, pp 139-143.

· Faraday, M.: «The Chemical History of a Candle. Chicago Review Press, 1988.

· Ross, H.; Sotos, R.; and T’ien, J.: Observations of Candle Flames Under Various Atmospheres in Microgravity. Combust. Sci. Technol., vol 75, no. 1-3, 1991, pp. 155-160.

OBJETIVOS DE LA MISIÓN

Determinar si las llamas de la mecha (velas) pueden mantenerse en un ambiente puramente difusivo (es decir, inactivo) o en presencia de un flujo convectivo muy lento y sub-flotante.

Determinar el efecto de estos procesos sobre la velocidad de combustión, la forma y el color de la llama.

Determinar si ocurren oscilaciones espontáneas de llama cercanas a la extinción en ausencia de flujo inducido de manera flotante.

Estudiar las interacciones entre dos llamas de difusión estrechamente espaciadas.

RESUMEN DE INTERFAZ

Peso: caja de velas de3 libras; 5 libras por caja de partes de velas

Dimensiones de la caja de velas; 4.75 pulgadas por 4.75 pulgadas por 7.5 pulgadas (incluido el soporte de aluminio)

Potencia: 10 vatios durante 5 a 10 segundos para el encendedor, 2 vatios para el amplificador de termopar

Tiempo de ejecución por ejecución (aprox.): 5 minutos desestiba; Configuración de 10 minutos; 10 minutos por ejecución; Reempaquetar en 5 minutos; Restauración de 5 minutos; 4 carreras

Adquisición de datos: video en color; Video en blanco y negro; Fotografía fija de 35 mm; dos pantallas de temperatura

INVESTIGADORES

División de Experimentos Espaciales Howard Ross Centro de Investigación Lewis de la NASA Cleveland, OH 44135 División de Experimentos Espaciales

Daniel Dietrich Centro de Investigación Lewis de la NASA Cleveland, OH 44135 James T’ien Universidad Case Western Reserve Cleveland, OH 44106

Para obtener más información sobre este experimento y otros experimentos relacionados con combustión o fluidos, visite el servidor de publicaciones y experimentos de fluidos y combustión de microgravedad. Se encuentran disponibles resúmenes de artículos y otra información bibliográfica.

http://zeta.lerc.nasa.gov/expr/candle2.htm

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