Development of Laser-Spectroscopic Techniques for New Detection Schemes in Combustion Diagnostics
Abstract: Popular Abstract in Swedish Förbränning förknippas av många som förlegat. Att utvinna energi genom att ”elda” har människan gjort under årtusenden, men trots det bestod Sveriges totala energiproduktion 2004 till 52 % av förbränning. De flesta bilar, båtar, flyg och i vissa fall även tåg utnyttjar den kemiskt lagrade energin i fossila bränslen. Uppvärmningen av bostäder är inte heller att förringa, där olja fortfarande har en betydande roll. Under det gångna decenniet har diskussionen om växthuseffekten stadigt ökat i både internationella och nationella medier och nådde sin kulmen 2007 då Al Gore och FN:s klimatpanel erhöll Nobels fredspris för sina insatser. Oberoende av vilket bränsle som väljs så ger förbränning upphov till föroreningar, inte bara koldioxid (som tills för ett antal år sedan ansågs som mer eller mindre helt ofarlig) utan även kväveoxider, svaveloxider, sot och oförbrända kolväten är föroreningar som förbränning för med sig. Kväveoxider och sot till exempel, uppkommer även vid förbränning av biobränslen. För att kunna minska de olika utsläppen krävs en djup förståelse för de komplexa, fundamentala processer som styr förbränningen. Att förstå flöden, koncentrationer av olika ämnen och temperaturer vid olika tidpunkter i förbränningsprocessen är avgörande för effektivare och miljömässigt godtagbar förbränning. I denna doktorsavhandling beskrivs utvecklingen av ett antal laserspektroskopiska mätmetoder för att studera just dessa parametrar. Lasermätmetoder har stora fördelar jämfört med traditionella mätmetoder, med en möjlighet att mäta väldigt snabba förlopp (kortare än en miljarddels sekund), väldigt små strukturer i rummet (ner till nästan 50 miljontedels meter) och i princip beröringsfritt, det vill säga utan att påverka förbränningen. I avhandlingen beskrivs bland annat hur noggranna temperaturmätningar kan göras genom att studera spritt ljus från molekyler. Molekylernas hastighet beror på temperaturen, därför kan Dopplerbreddningen på det spridda ljuset utnyttjas för att ta reda på temperaturen i till exempel en flamma eller en gnistcell. Mätmetoden kallas filtrerad Rayleighspridning och mäter, med 5-10 % noggrannhet, temperaturer upp emot 2000 °C utan att störa förbränningen. Filtrerad Rayleigh spridning och har i arbetet tillämpats vid olika situationer. Polarisationsspektroskopi är en annan metod som har utvecklats och använts i avhandlingen. Den kan användas till att exempelvis mäta ämnens koncentrationer med hög noggrannhet och i väldigt små kvantiteter. Mycket av de studier som har genomförts i avhandlingen ligger i det infraröda området, dvs. värmestrålning. Här kan nämligen molekyler studeras som inte kan nås i det synliga eller ultravioletta området. Resultaten resulterar i stor utsträckning i spektrum från olika molekyler, och eftersom ett spektrums utseende förändras med temperaturen kan även den bestämmas med denna metod. Den sista metoden som har utnyttjats i arbetet är laser inducerad fluorescence. Med hjälp av fluorescence kan bland annat strukturer i turbulenta flammor studeras. Turbulent förbränning anses idag som en god möjlighet att både få effektivare förbränning med lägre bränsleförbrukning och mindre utsläpp. Molekylen CH, lyser med den blålila färg som man kan se runt ett stearinljus, markerar flamfronten och är därför viktig i förbränningen. Flamfronten är där själva förbränningen startar och är viktig att förstå. En fortsatt utveckling av lasermätmetoder är en förutsättning för att vi ska kunna öka vår förståelse och kunskap om alla de processer som styr förbränningen. Med ökad förståelse och kunskap finns det utsikter att kunna effektivisera värmekraftverk och bilmotorer samt minska utsläppen – minskade utsläpp är trots allt nog den enda lösningen till en hållbar utveckling, både kort och på lång sikt.
CLICK HERE TO DOWNLOAD THE WHOLE DISSERTATION. (in PDF format)