Экспериментальное определение концентрационных пределов воспламеняемости многокомпонентных газовых смесей при повышенных температурах

Apr 5, 2024, 10:15 AM
15m
Конференц-зал

Конференц-зал

Ижорская улица, 13с2
Секция физики высокотемпературных процессов

Speakers

Влад Михайлович Анисимов (МГТУ им. Н. Э. Баумана (бывш. МВТУ)) В.В. Володин (ОИВТ РАН) В.В. Голуб (ОИВТ РАН)

Description

Современные концепции сокращения углеродных выбросов в условиях ограниченного количества водорода и энергии для его производства предусматривают использование в качестве топлива смесей метана с водородом [1]. Одним из ключевых аспектов безопасности использования газовой смеси является знание ее пределов воспламеняемости и условий, при которых она может безопасно храниться и транспортироваться. На сегодняшний день известны исследования, посвященные оценке безопасности при производстве и использовании смесей природного газа с водородом [2], в которых не проводились работы по определению пределов воспламеняемости. Известны экспериментальные и численные исследования, посвященные влиянию добавок водорода на ламинарную скорость горения смесей метана или природного газа с воздухом [3] и [4]. Однако, детальное исследование пределов воспламеняемости трёхкомпонентных смесей водород-метан-воздух по-прежнему остается открытой задачей.

В рамках текущего исследования определены концентрационные пределы самоподдерживающегося распространения пламени в смеси водород-метан-воздух при температурах 50-150°C. Работа носит экспериментальный характер, так как исследование свойств многокомпонентных составов по нередуцированным кинетическим схемам с помощью численного моделирования не всегда приводит к удовлетворяющим результатам ввиду огромной сложности расчетов [5], требующих недоступных на сегодняшний день вычислительных мощностей.

Для проведения экспериментов была спроектирована и собрана установка, соответствующая требованиям ГОСТ 12.1.044.2018, приведенная на рис. 1. Кроме того, на рис.2 приведена схема лабораторного стенда. Система нагрева и обеспечения температуры во взрывной камере состоит из термоизолированного шкафа с композитными стенками, конвективных нагревателей и вентилятора, необходимого для интенсификации конвекции. Предварительно камера откачивается с помощью вакуумного насоса, затем через магистраль подается смесь водорода и метана, после чего при помощи компрессора добавляется необходимый объем воздуха. Для зажигания используется взрывающаяся нихромовая проволочка, которая присоединена к системе зажигания. Данные о температуре и давлении передаются на измерительные приборы через термопару и датчики статического и динамического давлений. Для регулировки максимальной температуры внутри шкафа используется ЛАТР.

Критерием воспламенения является увеличение давления после зажигания более чем на 5%. Смесь считается негорючей, если она не загорелась ни разу в серии из 3 экспериментов. Границы зоны самоподдерживающегося горения находятся с точностью до 1% объемной доли газа. Для нахождения предела воспламенения многокомпонентных смесей была разработана комбинированная методика, включающая в себя бинарный поиск для определения примерного рассматриваемого диапазона, а затем деление этого диапазона на дискретные интервалы с интересующей точностью.

По результатам эксперимента были построены аналоги диаграммы Шапиро-Моффети для смеси водород-метан-воздух, показывающие область воспламеняемости смеси в зависимости от концентрации компонентов. На рис. 3 приведен пример диаграммы при начальной температуре 50°C и давлении 1 атм. В работе также представлены зависимости концентрационного предела от температуры и давления.
Результаты работы могут быть использованы для оптимизации параметров рабочего процесса в камерах сгорания энергетических установок и обеспечения пожаровзрывобезопасности при использовании в качестве топлива смесей метана с воздухом.


  1. Арутюнов В.С., Арутюнов А.В. Перспективные пути снижения углеродного следа мировой экономики // Горение и плазмохимия. 2022. Т.20. С. 289-294.
  2. Askar E. [et al.] Power-to-gas: Safety characteristics of hydrogen/natural-gas mixtures // Chem. Eng. Trans. 2016. V. 48. P. 397-402.
  3. Mitu M., Razus D., Schroeder V. Laminar burning velocities of hydrogen-blended methane–air and natural gas–air mixtures, calculated from the early stage of p(t) records in a spherical vessel // Energies. 2021. V. 14. P. 7556.
  4. Zhang Y. [et al.] A chemical kinetic investigation of laminar premixed burning characteristics for methane-hydrogen-air mixtures at elevated pressures // J. Taiwan Inst. Chem. Eng. 2020. V. 111. P. 141-154.
  5. Лаевский Ю.М., Яушева Л.В. Численное моделирование фильтрационного горения газа на основе двухуровневых полунеявных разностных схем // Вычислительные технологии. 2007. Т. 12. № 2. С. 90-91.

Primary authors

Влад Михайлович Анисимов (МГТУ им. Н. Э. Баумана (бывш. МВТУ)) В.В. Володин (ОИВТ РАН) В.В. Голуб (ОИВТ РАН)

Presentation materials