Главная / Библиотека / Использование компактных спектрометров в исследованиях процессов сгорания

Использование компактных спектрометров в исследованиях процессов сгорания

Использование компактных спектрометров в исследованиях процессов сгорания

Будем честны, интереснее всего в химии наблюдать яркие вспышки и реакции горения. Популярный опыт в общей химии – реакция между алюминием и оксидом железа (III) – одна из таких впечатляющих иллюстраций. Термическая реакция проходит в условиях высокой температуры, однако в процессе она поднимается еще выше, да так, что один из конечных продуктов – железо - мы наблюдаем в расплавленном виде. Ко дню независимости США исследователи провели «взрывные» эксперименты с использованием оборудования от StellarNet.

Взрывчатые вещества как биоцидные продукты

Here-come-the-fireworks-How-Compact-Spectrometers-are-being-used-in-Co

Рисунок 1. Экспериментальные и теоретические данные (classical theory) о температурах горения. По вертикали – спектральное излучение, по горизонтали – длина волны.

О термитных смесях. Группа Дрейзина из Технологического Института Нью-Джерси «взорвала» множество соединений (и термитную смесь в том числе), при этом наблюдая реакцию в подробностях с помощью оборудования StellarNet.

В двух опытах изучались йодидные соединения в металлических композитах как биоцидный продукт. При реакции горения выделяется йодидный газ, нейтрализующий любые опасные биологические соединения в воздухе. В первом исследовании рассмотрены смеси Al ᐧ B ᐧ I2 и Mg ᐧ B ᐧ I2 в сравнении с чистым бором [1]. Исследователи помещали смеси под излучение CO2-лазера для воспламенения, а затем исследовали влияние на реакцию добавочной турбулентности.

Спектрометр BLUE-Wave использовался для калибровки фотоумножителя (этот прибор необходим для детекции). Второй спектрометр использоcombustion-of-metal-particlesвался для сбора излучения. Температура спектра измерялась через эквивалентную температуру абсолютно черного тела. Дополнительная турбулентность снизила время горения бора и температуру всех образцов. На основе измерений интенсивности пламени и температуры с течением времени было выявлено двухэтапное горение: бор достиг температуры выпаривания первым, затем образовавшееся облако оксида бора стало препятствовать дальнейшему горению. Дополнительная турбулентность ликвидировала облако и ускорила процесс сгорания.

Во втором исследовании наблюдалась реакция горения термитных смесей: Alᐧ Ca(IO3)2 и Bᐧ Ca(IO3)2 [2]. Выполнены три типа реакций горения. В первой реакции проволоку напылили и нагрели с помощью источника переменного тока. Во второй измеряли эмиссию отдельных компонентов в воздухе и пламени ацетилена. В третьей спрессованные гранулы смеси нагревали лазерным излучением. Спектрометр BLUE-Wave также использовался в этой серии опытов.

Эксперимент с напылённой проволокой показал, что температура воспламенения бора (650K) была фактически ниже температуры, при которой проволока начала светиться. Температура воспламенения алюминия составила 1100 К. Алюминий загорелся после того, как проволока начала светиться.

Эксперимент по измерению доли отдельных компонентов в пламени показал, что средняя температура в течение времени горения была одинаковой для обоих металлов, несмотря на различные температуры воспламенения.

В эксперименте с гранулами алюминиевая таблетка выбрасывала фрагменты, которые также участвовали в реакции горения, в то время как осадок бора выделял тонкие струи частиц. Исследователи предположили, что разница между металлами обусловлена образованием оксида бора. Таким образом можно перемещать мелкие частицы, производящие потоки, и увеличивать скорость горения.

Группа из Нью-Джерси также изучила химический состав продуктов сгорания. Примечательно, что йодида в продуктах не содержалось. На основе этого был сделан вывод о том, что йодид растворился в воздухе, как предполагалось в теории.

 

Свойства горения металлических частиц

Группа Дрейзина также изучила параметры окружающей среды после горения металлических частиц. В одном из опытов ученые изучали характеристики среды при горении мелких частиц алюминия и магния [3] в условиях повышенной влажности (в среде присутствовал водяной пар). Использование водяного пара вместо природного газа предотвращает возможность выброса углекислого газа в промышленном способе получения водорода, поэтому исследование представляло большой интерес.

Было обнаружено, что в условиях высокой влажности время горения значительно выше данных, найденных в литературе. Экспериментальные результаты были проверены с помощью компьютерного моделирования гидродинамики. Сравнение модели и экспериментальных данных осуществлялось спектрометром BLUE-Wave: измерялся температурный профиль керамической нити в пламени, а затем он сравнивался с компьютерной моделью.

Еще одним предметом исследования стала реакция горения алюминия и титана [4] в условиях внешней турбулентности. С помощью спектрометра BLUE-Wave в этом исследовании осуществлялась калибровка тубусов фотоумножителя.

Пары алюминия поддерживают горение, в отличие от титана – это вещество горит только на поверхности. Экспериментальные наблюдения позволили сделать интересные заключения: оба металла горят быстрее в условиях внешней турбулентности, но время горения алюминия оказалось самым коротким. Интенсивность и температура пламени алюминия снизилась из-за турбулентности, рассеявшей горючие пары металла.

 

Шлейф ракетного пламени

Исследование Уилсоcompact-rugged-spectrometers-could-measure-rocket-plumes-300x239на-младшего в сотрудничестве с группой ученых также осуществлялось с помощью оборудования StellarNet: измерялась интенсивность и генерация гидроксильных радикалов в гибридном ракетном двигателе [5]. С помощью спектрометра BLACK-Comet регистрировалась общая интенсивность выбрасываемой струи, и через УФ-спектрометр высокого разрешения измерялась концентрация гидроксильных радикалов.

Исследование проводилось с целью подтверждения факта целесообразности использования компактных спектрометров при исследовании характеристик ракетного пламени. Однако в ходе эксперимента было сделано еще несколько интересных заметок:

Во-первых, струя пламени выбрасывалась в горизонтальном направлении, но концентрация гидроксильных радикалов оказалась наибольшей в нижней области (под шлейфом), а в области над шлейфом – наименьшей. Предположительно, такой эффект распределения концентрации радикалов возник вследствие влияния гравитации.

Во-вторых, опыт показал, что низкий расход кислорода приводит к более эффективному сгоранию.

В-третьих, самая высокая концентрация радикалов зарегистрирована на расстоянии 55 мм в радиальном направлении от шлейфа, то есть не в самой яркой части пламени.

 

Ударное воспламенение взрывчатых веществ

octogenБассетт и Длотт изучили поведение взрывчатых веществ при ударном воспламенении [6]. В качестве образца был выбран октоген, или HMX. Происхождение акронима “HMX” неизвестно, однако распространение получила такая неофициальная расшифровка – «Her Majesty’s Explosive».

Для проведения реакции ученые использовали лазер, с помощью которого воздействовали на октоген через алюминиевую фольгу. Для калибровки радиометрических измерений ученые опирались на стандарт StellarNet. Температуру оценивали с помощью эквивалентного спектра серого тела.

По наносекундной шкале времени наблюдалась вспышка (пик с температурой 6700 К), затем последовал второй, более низкий температурный всплеск в микросекундном масштабе времени. Когда скорость диска увеличили, вспышка наносекундного пика была ярче, но температура не изменилась. Это говорит о том, что воздействие вызвало появление малых горячих пятен в материале, которые распространялись по веществу до тех пор, пока не произошло взрыва. Увеличение скорости ведет к большему количеству таких пятен, но температура при этом не меняется.

Хотя праздники, такие как День независимости, происходят только один раз в год, наука живет каждый день, и ей не требуется особого случая для пары-тройки ярких вспышек. Как видно из практики, продукты StellarNet обладают необходимой прочностью для работы в экстремальных условиях. Однако нужно помнить, что безопасность также является важной частью экспериментов.

поделиться в социальных сетях

​​​​​​

 
Последние статьи
Агрофотоника

Повышение уровня потребления продуктов питания является прямым следствием неуклонного роста населения нашей планеты. Уже не одно столетие остается актуальной задача создания условий для выращивания растений вне зависимости от сезона; возрастают масштабы тепличного хозяйства, ведется разработка новых решений и методов, стимулирующих онтогенез растений...

Использование компактных спектрометров в исследованиях процессов сгорания

Будем честны, интереснее всего в химии наблюдать яркие вспышки и реакции горения. Популярный опыт в общей химии – реакция между алюминием и оксидом железа (III) – одна из таких впечатляющих иллюстраций.

Терагерцовые наборы

Если вы знакомы с принципами работы терагерцовых спектрометров реального времени и являетесь обладателем фемтосекундного лазера, терагерцовый набор может оказать большую пользу в ваших исследованиях.

Брэгговские зеркала
Тонкие брэгговские зеркала представляют собой структуру, состоящую из чередующейся последовательности оптических материалов с разным показателем преломления
Фотодиоды и фотопроводники

Фотодиод работает подобно обыкновенному сигнальному диоду. Отличие заключается в том, что фотодиод генерирует фототок, когда свет поглощается в области переходного слоя полупроводника. Это устройство обладает высокой квантовой эффективностью, а потому находит применение в решении многих задач.

У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку, и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б, офис 502

г. Санкт-Петербург, пр. Большой Сампсониевский, д. 60У, офис 31