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新X射线技术可测量火焰温度 助力生产更清洁的生物燃料

盖世汽车网 2022-09-14 17:46 发文

盖世汽车讯 了解生物燃料(由植物、藻类或动物粪便制成的燃料)的燃烧动力学,对于制造清洁、高效、由生物燃料驱动的发动机,具有重要意义。据外媒报道,美国能源部阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)、耶鲁大学(Yale University)和宾夕法尼亚州立大学(Penn State University)的研究人员改进并利用X射线技术,测量燃烧时产生的极热、充满烟尘的火焰的温度。这项新技术或将有助于减少生物燃料发动机的排放。

(图片来源:science.org)

为领先生物燃料开发新的燃烧系统并非易事,其中关键障碍之一是准确测量生物燃料燃烧时产生的火焰温度。阿贡物理学家Alan Kastengren表示:“温度对火焰中的化学反应速度有很大影响。开发更好的燃烧模型,可以让研究人员设计更好的燃烧系统,无论是内燃机还是发电系统。但是,如果模型中的温度不准确,可能无法正确预测化学反应。”

用X射线和氪原子测量温度

测量火焰温度极其困难。以前,研究人员曾使用激光和其他设备来评估火焰。但是,火焰中存在的烟尘颗粒会对测量产生干扰。在很大程度上,X射线不受烟尘颗粒的影响,有可能用于分析火焰。

在这项研究中,研究人员利用并改进了一种称为X射线荧光(X-ray fluorescence)的技术。首先,将少量氪气体引入由空气和甲烷(天然气的主要成分)组成的火焰中。这是全球实验室在燃烧研究中使用的标准火焰,因为氪是一种反应性极低的元素,不会改变火焰的化学性质。

接下来,在阿贡高级光子源(APS),研究人员用高能X射线束轰击火焰。作为回应,在称为荧光的过程中,氪原子释放出具有独特能量的X射线。然后,该团队使用X射线光谱仪来检测所发射出的X射线荧光的能量,以绘制氪原子的存在状态,并量化其在火焰中的密度。然后,该团队利用理想气体定律( ideal gas law)方程来计算火焰不同部分的温度。

该实验成功的关键是使用APS的超明亮X射线。比起实验室产生的光束,由APS等设施产生的X射线光束强度更高、更集中。

广泛的应用

研究人员通过甲烷火焰改进了X射线技术,这些方法也可以应用于测量其他火焰的温度,包括生物燃料燃烧产生的火焰。对于模拟生物燃料燃烧系统火焰的模型,将有助于提高准确性。更强大的模型,有助于发现新的操作方法,以用于飞机发动机、燃气轮机和其他发电系统,从而提高效率并减少排放。

阿贡高级化学家Robert Tranter表示:“在真实的发动机中对新燃料进行物理测试,是非常昂贵的。使用准确的燃烧模型,可以筛选燃料,有助于确定测试时间。”

更广泛地说,这种X射线方法有助于了解基本燃烧状态,支持广泛的研究领域,比如开发氢燃料系统,或利用火焰制造硅纳米颗粒,这些颗粒在医学、电池和其他领域具有潜在应用。该技术甚至有望用于燃烧研究以外的领域,支持任何需要在恶劣环境中进行准确温度测量的实验。

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来源:盖世汽车

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