Dentro de la llama: un nuevo método para investigar sistemas reactivos a alta temperatura

En la mitología griega antigua, un lugar especial está ocupado por un personaje que defendió celosamente a la humanidad de la crueldad y la arbitrariedad de los dioses. Entre otras cosas, nos dio, gente, fuego y conocimiento sobre cómo preservarlo. El nombre de este personaje es Prometeo. Zeus lo castigó de una manera muy cruel y sofisticada: Prometeo fue encadenado a una roca por siempre y para siempre, el águila picoteó su hígado, que estaba completamente regenerado, y la harina se repitió nuevamente. No todos los fenómenos físicos o químicos reciben su propia mitología, pero el fuego es otra cuestión. Dando vida y al mismo tiempo destruyendo todo a su paso, tan simple y tan misterioso. Hoy nos familiarizaremos con un trabajo en el que los científicos demostraron un nuevo método para estudiar el fuego, que nos permite examinar con más detalle los procesos moleculares que ocurren en las lenguas de fuego. ¿Qué herramientas e instrumentos fueron utilizados por los científicos, qué cosas nuevas podrían aprender sobre el fuego y cómo puede su trabajo ayudar a la humanidad en el futuro? Las respuestas nos esperan invariablemente en el informe del grupo de investigación. Vamos

Base de estudio

A veces, mirando la llama, parece que este es un ser vivo con sus pensamientos y planes insidiosos. Sin embargo, lo mítico en la llama es tanto como nuestra imaginación. En realidad, el fuego es el mismo proceso fisicoquímico que la cristalización del agua, por ejemplo. El fuego es un proceso de oxidación que se acompaña de radiación en el rango visible y la liberación de calor, es decir, energía térmica. Para la existencia de fuego, se necesitan ciertos ingredientes: combustible, agente oxidante y temperatura. Imagine la hoguera más común en el campamento de turistas. La madera actúa como combustible y el oxígeno, que está presente en el aire que rodea a los turistas, y, naturalmente, la madera para el fuego actúa como agente oxidante. Sin oxígeno (es decir, un agente oxidante en un sentido más amplio), el proceso de combustión es imposible. El tercer ingrediente, la temperatura, está determinado por las propiedades de los dos anteriores. Hay muchas variaciones de cada uno de los elementos constitutivos del fuego, así como sus combinaciones, cada una de las cuales tiene sus propias propiedades, características y características distintivas. Tenemos bastante conocimiento sobre el proceso de combustión, pero no todos.

En el estudio que se examina hoy, los científicos decidieron medir la temperatura del fuego con varias variables de entrada: el rango de temperatura de 1000-1800 K, presión 2.0-2.9 at y 7.6-10.7 at, frecuencia 250 kHz. Para esto, ^{se utilizó} un láser de cascada cuántica (QCL) con modulación acústico-óptica (en adelante AOM) con un rango infrarrojo promedio de la señal de salida de 1975 a 2260 cm ^-1 .

Los científicos señalan que para las mediciones temporales de partículas no intrusivas en sistemas reactivos, la espectrometría de absorción láser en la región del infrarrojo medio es excelente. La comparación de las fuerzas de absorción de dos partículas objetivo con diferentes dependencias de temperatura ya es un método de termometría de dos líneas. En este método, debido a las limitaciones en la velocidad de escaneo y el rango de longitud de onda, es necesario usar varios láseres a la vez para mediciones más rápidas. Además, a pesar de la sensibilidad de las mediciones en medios de baja concentración, los láseres de banda estrecha no son adecuados para sistemas con una alta concentración de partículas objetivo.

Por lo tanto, no se puede utilizar un método similar para las mediciones de temperatura en sistemas de materiales intensivos en energía, como C ₄ H ₈ N ₈ O ₈ (octógeno) y C ₃ H ₆ N ₆ O ₆ (hexógeno), ya que los elementos objetivo (H2O , , etc.) se producen en muy alta concentración. Por lo tanto, se necesita un nuevo método para estudiar dichos sistemas, que los científicos describen en su trabajo.

Preparando la configuración experimental

Imagen No. 1

La Figura 1a muestra la configuración experimental de un láser de cascada cuántica con modulación acústico-óptica (AOM QCL):

• Espejo - un espejo;
• Haz difractado a la longitud de onda deseada: haz reflejado a la longitud de onda deseada;
• Haz no difractado - haz no reflejado;
• AOM - modulador acústico-óptico;
• Lentes - lentes;
• QCL láser de cascada cuántica;
• Revestimiento AR: capa antirreflectante;
• Generador de RF: generador de radiofrecuencia;
• Salida - señal de salida.

La señal de salida espectral AOM QCL se midió en función de la entrada AOM RF usando radiación infrarroja con transformada de Fourier con una resolución espectral de 0.2 cm ^-1 ( 1b ).

El ancho medio de la señal de salida depende de las condiciones de funcionamiento: duración del pulso y frecuencias QCL y AOM. En este experimento, el índice de medio ancho fue de aproximadamente 12–15 cm ^–1 .

En los experimentos, se usó un tubo de choque de acero inoxidable con un diámetro interno de 14 cm, y también se usaron diafragmas de policarbonato con un espesor de 0,18 y 0,76 mm. Se utilizaron cinco transductores de presión piezoeléctricos ubicados a lo largo de los últimos 1,4 m del tubo de choque para medir la velocidad del impacto, que se extrapola linealmente a la pared final. La temperatura y la presión en la región de choque reflejada (P5 y T5) se calcularon usando la temperatura y la presión iniciales en esta región y la velocidad de choque extrapolada usando relaciones de choque unidimensionales teniendo en cuenta los gases químicamente congelados y balanceados vibracionalmente. La atenuación de la velocidad fue de aproximadamente 1,5% / m, y el error en T5 y P5 fue inferior al 2%.


Imagen No. 2: configuración experimental junto con la región de prueba del tubo de choque.

Explicaciones para la imagen de arriba:

• Sistema AOM QCL: instalación de un láser de cascada cuántica con modulación acústico-óptica;
• Generador de RF: generador de radiofrecuencia;
• Generador de funciones - Generador de funciones $
• Sincronización - sincronización;
• Fuente de corriente pulsada - fuente de corriente pulsada;
• Iris - apertura;
• Detector I (intensidad de señal transmitida) - sensor de intensidad (I) de la señal transmitida
• Espejo curvo - un espejo curvo;
• I0 Detector - sensor de intensidad del haz de referencia;
• Divisor de haz - divisor de haz;
• Espejo - un espejo;
• Endwall - pared final;
• ZnSe Windows - lentes de seleniuro de zinc;
• Tubo de choque - tubo de choque.

El haz del AOM QCL se dividió en haces de referencia y señal mediante un divisor de haz de fluoruro de calcio (CaF ₂ ). La intensidad del haz de referencia se midió usando un sensor fotoeléctrico enfriado termoeléctricamente. Como podemos ver en el diagrama, frente al tubo, el haz pasa a través de una lente de seleniuro de zinc de 3 mm de espesor y 12,7 mm de diámetro. Ambas lentes se ubicaron a una distancia de 2 cm de la pared final y se apuntaron entre sí. Después de pasar la segunda lente, el haz se dirige al sensor de intensidad de la señal transmitida a través de un espejo curvo.

El láser de configuración funcionaba en modo pulsado con una frecuencia de repetición de 500 kHz y una duración de pulso de 100 ns. Se utilizó AOM para alternar pulsos entre las bandas espectrales de 2030 cm ^-1 y 2080 cm ^-1 mediante la modulación del controlador de radiofrecuencia con un meandro * con un período de 250 kHz, que se sincronizó con el controlador de pulso láser.

El meandro * es una señal periódica de forma rectangular.

Dichas bandas espectrales precisas se seleccionaron especialmente para proporcionar sensibilidad a altas temperaturas en el rango de temperatura estudiado con una sensibilidad relativamente baja a la fracción molar y la presión de CO. Además, para una mayor estabilidad espectral, AOM y QCL fueron controlados por temperatura.

Resultados del experimento

Y ahora pasaremos directamente a los resultados de la instalación.

Durante los experimentos, la temperatura medida varió de 1000 a 1800 K, y se usaron dos opciones de presión: baja - 2.0-2.9 at. Y alta - 7.6-10.7 at. La mezcla analizada consistió en CO diluido en helio (He) y argón (Ar). Se usó una mezcla de 10% de CO, 25% de He y 65% ​​de Ar a baja presión, y 3% de CO, 15% de He y 82% de Ar a alta presión. Para garantizar la homogeneidad (homogeneidad) de las muestras, el proceso de mezcla continuó durante 8 horas.


Imagen No. 3

Para calcular el espectro esperado del haz de señal para cada una de las dos bandas a lo largo de la longitud de onda, se utilizó una combinación del espectro de absorción simulado y el espectro de salida medido AOM QCL. En este caso, la ley monocromática Behr - Lambert se tuvo en cuenta para cada longitud de onda individual ( 3a ).

Se simuló la absorción para dos bandas para cada combinación de T5, P5 y fracción molar teniendo en cuenta la trayectoria de 14 cm (longitud del tubo de choque) para: rango de temperatura 600-2600 K en incrementos de 50 K, rango de fracciones molares de CO del 1% al 50% en incrementos 1% y un rango de presión de 0.001-13.0 bar en incrementos de 1 bar.

Como se puede ver en la imagen 3b , la temperatura afecta fuertemente el coeficiente de absorción, pero solo ligeramente en la fracción molar y la presión. La temperatura y la fracción molar se calcularon utilizando un método iterativo, es decir, estos indicadores se determinaron primero por separado y se usaron para calcular los valores de absorción teóricamente esperados para las dos bandas de salida a la presión medida experimentalmente (P5). Después de eso, se cambió la temperatura comparando los coeficientes de absorción teóricos y medidos. La fracción molar de CO se cambió utilizando la diferencia entre los valores medidos y teóricos de la banda de absorción de 2080 cm ^-1 .


Imagen No. 4

En la imagen 4a, podemos ver una comparación de las temperaturas medidas y conocidas en experimentos con un tubo de choque teniendo en cuenta los impactos tanto de baja como de alta presión. Como podemos ver, las temperaturas que se obtuvieron utilizando el sistema AOM QCL son casi perfectamente consistentes con las temperaturas de choque en todo el rango de 1000-1800 K y en ambos rangos de presión. El gráfico adyacente ( 4b ) muestra la relación de la fracción molar medida y real de CO. En el caso de este indicador, también se observa una excelente concordancia entre los datos inicialmente conocidos y los obtenidos mediante mediciones con el sistema experimental AOM QCL.

Resultados de los investigadores

Los científicos han descubierto que el cambio de temperatura es independiente de los desplazamientos del rayo láser que surgen de las partículas del diafragma. Esta conclusión se justifica por el hecho de que este sesgo afecta a ambos componentes espectrales de la señal de salida debido a pulsos variables que pasan a través del mismo haz. Como resultado, el desplazamiento se compensa.

Si tenemos en cuenta la inmunidad de las mediciones de temperatura a las emisiones térmicas de fondo y el desplazamiento del rayo láser descrito anteriormente, el método desarrollado es excelente para estudiar las reacciones en fase gaseosa de los materiales energéticos (por ejemplo, octógeno y hexógeno) en los que se genera CO, y las partículas calientes y las ondas de presión pueden causar calor emisiones y desplazamiento del haz.

Además, dado el ancho de banda del AOM QCL de 12-15 cm ^-1 , muchas características de absorción de un componente del medio de prueba pueden analizarse simultáneamente. Los láseres de banda estrecha tienen una mayor sensibilidad, pero están limitados en el rango de concentración donde pueden usarse, debido a la saturación.

El modelado del espectro HITEMP solo tiene en cuenta el CO. En consecuencia, el uso del sistema AOM QCL en estructuras, cuando los componentes de la mezcla pueden ser diferentes, requiere una mejora adicional del sistema para aumentar su precisión.

Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos .

Epílogo

Este estudio experimental es una demostración de una nueva herramienta en el estudio de la temperatura y la concentración de componentes dentro de sistemas reactivos de alta temperatura. Los científicos que utilizaron esta herramienta pudieron estudiar con éxito mezclas con 3% y 10% de CO en el rango de temperatura de 1000 ... 1800 K a una presión de 2.0-2.9 at y 7.6-10.7 at.

El sistema AOM QCL, según los propios desarrolladores, es bastante flexible y le permite configurarlo para varios entornos estudiados en un amplio rango de temperatura. Además, el sistema puede medir varios componentes del medio a la vez midiendo sus características de absorción.

El fuego no es solo una estufa en una casa de pueblo, una chimenea en una mansión o una vela en un pastel. El fuego es un proceso físico y químico complejo, cuya comprensión le da a una persona más herramientas para controlar su poder creativo y luchar contra su poder destructivo.

No exagero diciendo que todos estábamos conmocionados por el incendio que ocurrió en la Catedral de Notre Dame. Tantos siglos de investigación científica, descubrimientos y avances, pero no pudimos salvar una de las perlas arquitectónicas más grandes y bellas del fuego rebelde. Esta pérdida una vez más nos recordó que el hombre es tan grandioso, y todavía tenemos que aprender mucho sobre el mundo que nos rodea para protegernos por completo de los problemas que nos puede presentar. La única fuerza destructiva con la que probablemente nunca podremos controlar esto es a nosotros mismos.

Gracias por su atención, sigan curiosos, recuerden las reglas de seguridad contra incendios y una buena semana laboral, muchachos.

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