Laser-Induced Incandescence and Complementary Diagnostics for Flame Soot Characterization

Abstract: Popular Abstract in Swedish Även om vi i dagens samhälle försöker minska vårt beroende av förbränningsprocesser är förbränning fortfarande vår största energikälla och förväntas så förbli under en lång tid. Därför är det viktigt att effektivisera förbränningsprocesserna för att maximera den energi som utvinns medan utsläppen samtidigt minimeras. En av de oönskade biprodukterna vid förbränning är sotpartiklar, vilkas effekt på vår omgivning idag är omdiskuterad. Den totala effekten av sotpartiklarna på klimatet är svår att avgöra då sotpartiklar kan verka både värmande och avkylande genom att antingen absorbera eller sprida ljus. Dessutom har sotpartiklar en negativ effekt på vår hälsa. För att öka kunskapen om sot och dess effekter krävs noggrannare mättekniker, inte bara för att avgöra sotets inverkan på klimat och hälsa, utan även för att studera dess bildning och därigenom få ökad kunskap för att minimera utsläppen. Arbetet i denna avhandling har i huvudsak handlat om att utveckla laserbaserade mättekniker för att mäta sotpartiklarnas koncentration, storlek, struktur samt optiska egenskaper. Den teknik som framförallt arbetats med är laserinducerad inkandescens (LII). Vad är då en sotpartikel? Sotpartiklar bildas i flammor vid ofullständig förbränning, t.ex. i ett stearinljus, en brasa eller en motor. Den gula färgen hos eld är nämligen strålning från varma sotpartiklar i flamman, med en temperatur omkring 1500-2000 °C. Partiklarna är väldigt små, sällan större än en miljondels meter, en hundradel av tjockleken på ett hårstrå och består till största del av kol. Sotpartiklarna förekommer som små runda partiklar, så kallade primärpartiklar. Primärpartiklarna uppträder aningen som separata sotpartiklar eller ihopklumpade i olika formationer som aggregerade sotpartiklar. Vid en LII mätning hettas sotpartiklarna upp till över 3000 °C m.h.a. intensiva laserpulser. När temperaturen ökar, ökar även intensiteten av strålningen från sotet. Genom att mäta strålningens intensitet kan koncentrationen av sotpartiklar bestämmas och genom att mäta hur signalen från de upphettade sotpartiklarna avtar i takt med att temperaturen minskar, kan man bestämma storleken på partiklarna. Ytterligare analys kan även ge information om sotets optiska egenskaper. För att generera sot under kontrollerade former används laboratoriebrännare som producerar flammor där förbränningen kan kontrolleras av användaren. I detta arbete har denna typ av flammor uteslutande använts. Därmed har t.ex. studier kunnat göras av hur sotets egenskaper ändras under dess bildningsprocess som kan följas med höjd över brännaren i s.k. flata förblandade flammor. Till de attribut som studerats hör sotets optiska egenskaper, d.v.s. hur sotet interagerar med ljus. Mätresultaten visar signifikanta skillnader hos de optiska egenskaperna på olika höjder i dessa flammor, d.v.s. sotets optiska egenskaper ändras under bildningsprocessen. Även sotpartikelstorlekar och koncentrationer har uppmätts för att karaktärisera andra laboratorieflammor, data som kan användas för att verifiera förbränningsmodellerares simuleringar. Dessutom har studier gjorts av olika processer som kan påverka utvärderingen av sotpartikelstorlekar. Till exempel har en effekt påvisats som gör att ju mer aggregerad en sotpartikel är, desto långsammare avtar temperaturen efter att de upphettats av en laserpuls. Inkluderas inte detta i utvärderingen kommer storleken överskattas. Beroende på forskningsfält finns olika intresse för de uppmätta sotegenskaperna. För till exempel motortillverkare är mättekniker med vilka man noggrant kan bestämma partikelkoncentrationer och storlekar betydelsefulla. Detta då det kontinuerligt kommer skärpta restriktioner av partikelutsläppen. För klimatmodellerare är även utvärderade värden av sotets optiska egenskaper viktiga för att de ska kunna förutsäga sotpartiklarnas effekt på klimatet.