Ny teknik til at måle temperaturer i forbrændingsflammer kan føre til renere biobrændstoffer

En ny røntgenteknik til at måle temperaturer i forbrændingsflammer kan føre til renere biobrændstoffer.

At forstå dynamikken i forbrænding af biobrændstoffer - brændstoffer fremstillet af planter, alger eller animalsk affald - er afgørende for at bygge rene, effektive biobrændstofdrevne motorer. En vigtig drivkraft for denne dynamik er temperaturen.

Forskere fra U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory, Yale University og Penn State University har forfinet og brugt en røntgenteknik til at måle temperaturer i en ekstremt varm, sodfyldt flamme produceret ved forbrænding. Sådanne målinger har historisk set været udfordrende. Den nye teknik kan potentielt hjælpe med at reducere emissioner fra biobrændstofdrevne motorer. Undersøgelsen blev offentliggjort i Science Advances .

Et behov for at optimere biobrændstoffer

Reduktion af emissioner af drivhusgasser og andre forurenende stoffer som følge af forbrænding af fossile brændstoffer vil kræve store ændringer i energisystemerne. U.S. Energy Information Administration rapporterer, at der er langt over en milliard fossildrevne køretøjer på verdensplan, hvilket anslår, at den konventionelle bilflåde vil toppe i 2038.

Avancerede, renere brændende biobrændstoffer kan potentielt hjælpe med at reducere forurenende stoffer i mellemtiden. Dette gælder især for fly, skibe og andre tunge køretøjer, der stadig er svære at elektrificere med nuværende teknologier.

Men at udvikle nye forbrændingssystemer til avancerede biobrændstoffer er ingen nem opgave. En vigtig barriere har været nøjagtig måling af temperaturer i flammer produceret af biobrændstofforbrænding. Temperaturer er kritiske input i de modeller, som forskere bruger til at simulere forbrændingsflammer og deres emissioner.

"Temperaturen har en stor indflydelse på kemiske reaktionshastigheder i flammer," sagde Alan Kastengren, en Argonne-fysiker, som var en af ​​forfatterne til undersøgelsen. "Hvis modellerne ikke har nøjagtige temperaturer, forudsiger de sandsynligvis ikke kemien korrekt. Bedre forbrændingsmodeller giver forskere mulighed for at designe bedre forbrændingssystemer – uanset om det er forbrændingsmotorer eller elproduktionssystemer."

Måling af temperaturer med røntgenstråler og kryptonatomer

Det er overraskende vanskeligt at måle flammetemperaturer. Forskere har tidligere brugt lasere og andre enheder til at evaluere flammer. Sodpartiklerne i flammer kan dog forstyrre deres evne til at måle temperatur.

Røntgenstråler er stort set upåvirket af sodpartikler, så en anden mulighed er at bruge røntgenstråler til flammeanalyse. Argonne, Yale og Penn State-forskerne brugte og forfinede en teknik kendt som røntgenfluorescens. Teknikken involverede flere trin. Først introducerede de en lille mængde af gassen krypton i en flamme bestående af luft og metan (en primær komponent i naturgas). Dette er en standardflamme, der bruges af laboratorier verden over i forbrændingsforskning. Krypton er et grundstof med ekstremt lav reaktivitet, så det ændrer ikke på flammens kemi.

Dernæst på Argonne's Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science brugerfacilitet, bombarderede forskerne flammen med højenergi røntgenstråler. Som svar afgav kryptonatomerne røntgenstråler med en unik mængde energi i en proces kaldet fluorescens. Holdet brugte derefter et røntgenspektrometer til at detektere energien af ​​den udsendte røntgenfluorescens. Dette gjorde det muligt for forskerne at kortlægge tilstedeværelsen af ​​kryptonatomer og kvantificere deres tæthed gennem hele flammen. Derefter beregnede holdet temperaturer i forskellige dele af flammen ved hjælp af en ligning kendt som den ideelle gaslov, der relaterer temperatur og tæthed.

En nøgle til eksperimentets succes var at bruge de ultralyse røntgenstråler ved APS. Røntgenstråler genereret af faciliteter såsom APS har en meget større intensitet og meget mere fokuserede stråler end dem, der skabes i laboratorier.

"En røntgenkilde i laboratorieskala er ligesom en pære. Røntgenstrålerne går ud i alle retninger," sagde Kastengren. "Med synkrotroner går røntgenstrålerne alle i samme retning. Det gør det meget nemmere for os at bruge strålen effektivt til at måle interaktionerne med flammen."

Mange måder at anvende teknikken på

Mens forskerne forfinede røntgenteknikken ved hjælp af en metanflamme, kan metoderne bruges til at måle temperaturer i andre flammer, herunder dem, der produceres ved forbrænding af biobrændstof. Det kan hjælpe med at forbedre nøjagtigheden af ​​de modeller, der bruges til at simulere flammer i biobrændstofforbrændingssystemer. Mere robuste modeller kan potentielt muliggøre opdagelser af nye måder at betjene flymotorer, gasturbiner og andre energigenererende systemer på, så de er mere effektive og har lavere emissioner.

"Forestil dig at skifte fly fra standardbrændstof til bæredygtigt flybrændstof," sagde Robert Tranter, en seniorkemiker fra Argonne og forfatter til undersøgelsen. "Du skal forstå, hvilken effekt denne kontakt har på forbrændingsegenskaberne i motoren for at sikre, at den fungerer korrekt. Fysisk test af nye brændstoffer i en motor fra den virkelige verden er meget dyrt. Nøjagtige forbrændingsmodeller kan screene brændstoffer for at hjælpe med at bestemme, hvornår de skal lav de test."

Mere bredt kan røntgenmetoderne fremme forståelsen af ​​grundlæggende aspekter af forbrænding og understøtte en bred vifte af forskningsområder. For eksempel kan de informere om bestræbelser på at udvikle systemer, der brænder brint for at producere energi. De kan hjælpe med forskning i brugen af ​​flammer til at skabe siliciumnanopartikler, som har potentielle anvendelser inden for medicin, batterier og andre områder.

Teknikken kan endda anvendes ud over forbrændingsforskning. Det kan potentielt understøtte ethvert laboratorieeksperiment, der kræver nøjagtige temperaturmålinger i fjendtlige miljøer.

"Vi støder altid på forskellige systemer, hvor forskere har brug for nøjagtige temperaturmålinger," sagde Tranter. "Vi er åbne for samarbejde med dem."

Foruden Kastengren og Tranter er forfatterne Matthew J. Montgomery, Yale; Hyunguk Kwon, Penn State; Lisa D. Pfefferle, Yale; Travis Sikes, Argonne; Yuan Xuan, Penn State og Charles S. McEnally, Yale. + Udforsk yderligere

Sætte gas under tryk