Tecniche diagnostiche ottiche nella combustione

In questa linea di ricerca vengono sviluppate ed applicate varie tecniche ottiche per lo studio dei fenomeni di combustione. Particolare riguardo è dedicato alle diagnostiche di spettroscopia laser per la determinazione della temperatura di gas di combustione e della distribuzione di specie chimiche, per la rilevazione di policiclici aromatici e della fuliggine in fiamme ricche, per l’analisi degli aerosoli e dei microinquinanti allo scarico di sistemi di combustione e nell’ambiente. Nel laboratorio si utilizzano correntemente le seguenti tecniche:

• emissione spontanea (SE) e chemiluminescenza
• assorbimento laser (LA)
• fluorescenza indotta da laser (LIF, PLIF)
• scattering multiangolare da particolato (fig. 1)
• incandescenza indotta da laser (LII)
• spettroscopia break down indotto da laser (LIBS)
• spettroscopia FT-IR
• scattering Rayleigh (RS)
• scattering Raman spontaneo (SRS)

Una breve descrizione di alcune tecniche ottiche utilizzabili per studi di combustione si può trovare negli Allegati Tutorial.

Un esempio delle differenze e possibilità delle varie tecniche per le indagini sperimentali è illustrato dal confronto delle fig. 2 e 3 dove sono confrontate le immagini, a falsi colori, dell'intensità dell'emissione spontanea (SE), e della fluorescenza indotta da laser (PLIF) del radicale OH in una fiamma di tipo Bunsen. Si nota che l'emissione spontanea per chemiluminescenza è concentrata lungo il cono di reazione. È dovuta al radicale OH* e non rappresenta la vera distribuzione dell'OH. L’immagine PLIF ottenuta nelle stesse condizioni sperimentali indica che il radicale OH è principalmente distribuito nella zona di post reazione e nella zona di reazione secondaria con l’aria esterna.

Un altro esempio delle possibilità diagnostiche offerte dalla tecnica della fluorescenza indotta da laser (LIF) è mostrata in fig. 4 dove sono mostrati gli spettri di fluorescenza ottenuti sull’asse di una fiamma di diffusione di propano in funzione dell’altezza. Per le misure si è utilizzato la lunghezza d’onda di 266 nm generata da un laser Nd:YAG. I picchi sono dovuti allo scattering da particolato. In basso alla fiamma la banda di fluorescenza è attorno ai 350 nm, caratteristica di molecole a basso peso molecolare, mentre in alto alla fiamma, dove lo scattering da particolato diventa significativo, lo spettro indica anche la presenza di policiclici ad alto peso molecolare.

La tecnica LII (laser-induced incandescence) è impiegata per la misura della concentrazione e delle dimensioni del particolato carbonioso fine sia in fiamme che nell’ambiente. In base a questa tecnica si è realizzato uno strumento portatile. La fig.5 mostra lo strumento durante una campagna di misure su un impianto di combustione a letto fluido presso l’Istituto per Ricerche sulla Combustione (IRC) del CNR.

Data l’importanza della rivelazione dei composti policiclici aromatici sia in fiamme che nell’ambiente è stato messo a punto un Atlas elettronico degli spettri di fluorescenza come ricavato da dati di letteratura e che può essere scaricato dagli Allegati. Un esempio di una pagina dell’Atlas è riportato in fig. 6. Dall’analisi dei dati raccolti si può evidenziare come la posizione spettrale degli gli spettri di fluorescenza dei policiclici aromatici sia correlata con il loro peso molecolare. Più alto è il peso molecolare più spostato verso il rosso risulta lo spettro (fig. 7). Questi dati possino essere utili per l’interpretazione di spettri come quelli riportati in fig. 4.

Nel nostro laboratorio le varie tecniche diagnostiche vengono impiegate nello studio degli aspetti di base dei processi di combustione, come lo studio delle fiamme laminari e turbolente, le fiamme premiscelate, premiscelate ricche e di diffusione, la formazione e la rilevazione di inquinanti, in particolare della fuliggine e degli idrocarburi aromatici.

Le attività di ricerca correnti riguardano:

• Diagnostiche laser per la rivelazione del particolato carbonioso
• Sviluppo ed applicazione della tecnica LII per la determinazione del particolato carbonioso fine nell’ambiente
• Rivelazione di idrocarburi aromatici con tecniche di fluorescenza indotta da laser (LIF)
• Rivelazione di nano particelle e microinquinanti con tecniche FT-IR
• Influenza dell’addizione di idrogeno sulla formazione di fuliggine
• Sviluppo e caratterizzazione di micro combustori catalitici e fluidodinamici
• Applicazioni di un plasma “dielectric barrier discharge” (DBD) per il reforming del metano

Recentemente l'interesse di ricerca si è allargato ai processi di formazione di nanoparticelle in sistemi di combustione.

Selection of published papers

• F. Cignoli, S. De Iiuliis, G, Zizak, Soot load versus aromatic concentration in diesel oil premixed flames, Fuel 80, 945-955 (2001)
• F. Cignoli, S. De Iuliis, V. Manta, G. Zizak, Two-dimensional two-wavelength emission technique for soot diagnostics, Appl. Opt. 40, 5370 (2001)
• F. Cignoli, S. De Iuliis, G. Zizak, A webcam as a light probe beam profiler, Appl. Spectrosc., 58(11), 1372 (2004)
• S. De Iuliis, F. Cignoli, G. Zizak, Two-color laser-induced incandescence (2C.LII) technique for absolute soot volume fraction measurements in flames, Appl. Opt., 44, 7414 (2005)
• S. De Iuliis, F. Migliorini, F. Cignoli, G. Zizak, Peak soot temperature in laser-induced incandescence measurements, Appl. Phys. B 83, 397-402 (2006)
• F. Migliorini, S. De Iuliis, F. Cignoli, G. Zizak, Absorption correction of two-color laser-induced incandescence signals for soot volume fraction measurements, Appl. Opt., 45, 7706-7711 (2006)
• S. De Iuliis, F. Migliorini, F. Cignoli, G. Zizak, 2D soot volume fraction imaging in an ethylene diffusion flame by two-color laser-induced incandescence (2D-LII) technique and comparison with results from other optical diagnostics, Proc. Combustion Institute 31, 869-879 (2007)
• F. Migliorini, S. De Iuliis, F. Cignoli, G. Zizak, How “flat” is the rich premixed flame produced by your McKenna burner?, Comb. Flame 153, 384-393 (2008)
• S. De Iuliis, N. Chaumeix, M. Idir, C.-E. Paillard, Scattering/extinction measurements of soot formation in a shock tube, Exp. Thermal Fluid Science, 32, 1354-1362 (2008)
• F. Migliorini, S. De Iuliis, S. Maffi, F. Cignoli, G. Zizak, Investigation on the influence of soot size on prompt LII signals in flames, Appl. Phys. B 96, 637-643 (2009)
• De Iuliis, S. Maffi, F. Cignoli, G. Zizak, Three-angle scattering/extinction versus TEM measurements on soot in premixed ethylene/air flame, Appl. Phys. B 102, 891-903 (2011)

Contracts

Le attività di ricerche sono inserite in:

• Commessa “Diagnostica avanzata per materiali innovativi e sistemi di combustione” del Dipartimento Energia e Trasporti del CNR
• IEA (International Energy Agency) Implementing Agreement on Energy Conservation and Emission Reduction in Combustion” nel collaborative task “Nanoparticle Diagnostics”

Contratti attivi

• Accordo di programma MSE/CNR “Attività di RS di interesse generale del Sistema Elettrico Nazionale”, gruppo tematico “Carbone Pulito – CO2 Capture”, progetto: “Diagnostiche ottiche per la misura del particolato e di microinquinanti”

Negli anni passati le attività di ricerca e sono state finanziate con numerosi contratti sia nazionali che internazionali. Segue una breve lista dei contratti portati a termine:

• FIRB RBAU01JEJ3 “Caratterizzazione ottica e morfologica del particolato carbonioso in fiamme di idrocarburi”
• ODAR07230 (2007) CESI Ricerca- CNR-IENI “Studio per la caratterizzazione e messa a punto della tecnica spettroscopica in emissione per la misura della temperature ingresso turbina.
• Sovvenzione globale INGENIO (2007) progetto “Misura del particolato con tecnica laser”
• FISR (2005-2008) “Matrici di micro combustori a idrogeno”
• INTAS-05-1000005-7664 “Hydrogen production and safety promotion by innovative processes”
• INTAS-03-514736 “Kinetics and mechanism of ignition/combustion initiated by electronically excited oxygen”
• INTAS-00-00556 “Combustion by electronically excited oxygen”
• JOF3-CT97-0030 “Low aromatic threshold”
• CHRX-CT94-0623 “Gravity dependant phenomena in combustion”
• JOU2-CT93-0379 “Fuel formulation”
• JOUE-CT91-0085 “Midcom I and II”
• EN3E-0088-UK “Turbulent Combustion”

Contacts

• Dr. Silvana De Iuliis, tel. +39 02 66173 297
• Dr. Silvia Maffi, tel. +39 02 66173 303
• Dr. Francesca Migliorini, tel. +39 02 66173 384
• Enio Fantin, tel. +39 02 66173 221
• Dr. Giorgio Zizak (associato) , tel. +39 02 66173 304