Исследование смешения водорода с воздухом с помощью термокондуктометрических датчиков

Apr 5, 2024, 3:00 PM
15m
Конференц-зал

Конференц-зал

Ижорская улица, 13с2
Секция физики высокотемпературных процессов

Speakers

Наталия Константиновна Денцель (ОИВТ РАН) В.М. Бочарников (ОИВТ РАН) В.В. Володин (ОИВТ РАН) В.В. Голуб (ОИВТ РАН) А.Е. Ельянов (ОИВТ РАН)

Description

Для проведения экспериментов с газовыми смесями помимо пропорций, составляющих необходимо знать время их полного перемешивания. Для этой цели проведена серия экспериментов по определению скоростей потоков и распределения концентраций в баллоне объёмом 40 л. Исследовались два типовых случая: инжекция водорода в изначально неподвижный воздух и инжекция воздуха в изначально неподвижный водород. Варьировались конечные состав и давление смеси, а также объёмный расход инжектируемого газа. Скорость потока и концентрация смеси контролировались в трёх точках по высоте баллона.
В настоящее время известны следующие типы датчиков концентрации водорода: электрохимические, инфракрасные, акустические и термокондуктометрические. Каждый из них обладает своими достоинствами и недостатками, например, электрохимические обладают высокой чувствительностью, но при этом обладают ограничением в определении концентрации водорода до 20 об.%, что является недостаточным при исследовании смешения водорода [1]. Инфракрасные датчики применимы для обнаружения низших алканов, алкенов и т.д. Применение оптических датчиков ограничено концентрациями водорода до 4 об.%, также они отличаются нестабильностью измерений [2]. Термокондуктометрические датчики обладают достаточно высокой чувствительностью к присутствию в воздухе таких газов как водород, гелий и неон, т.е. газов имеющих высокую теплопроводность [3], при этом они могут использоваться для измерения концентрации водорода во всём диапазоне от 0 до 100 об.%. В работе [4] проводились исследования комбинации датчиков концентрации водорода для обнаружения утечек водорода при транспортировке.
Целью настоящей работы является исследование смешения водорода с воздухом, а также определение скоростей потоков, возникающих в процессе перемешивания. Так как концентрация водорода при создании водородно-воздушной смеси менялась от 10 до 60 об.% использовались сборки, состоящая из двух датчиков IST FS7, один из которых был открытый и расположенный вдоль потока газа, второй – закрытый проницаемым колпачком, расположенный перпендикулярно потоку. В каждом эксперименте снимались показания с трёх сборок, расположенных на разной высоте.
На рис. 1 представлен график зависимости скорости потока газа и концентрации водорода от времени в процессе наполнения ёмкости объёмом 40 литров до абсолютного давления 4 атм. Заполнение ёмкости водородом и воздухом производилось последовательно. Сначала, вакуумированная ёмкость наполнялась водородом до давления 1,6 атм, соответствующему 40 об.% смеси, затем, при помощи расходомера Bronkhorst F201A/V, ёмкость заполнялась воздухом с заданной скоростью 5 л/мин до давления 2,4 атм. На рис. 1 вертикальная линия показывает момент окончания наполнения. В данном эксперименте время остановки потоков составляет 13 минут после окончания наполнения ёмкости. За это же время концентрация водорода достигает стационарного значения.
В результате экспериментов получены времена остановки потоков и смешения водорода с воздухом по всему объёму в зависимости от выбора неподвижного и инжектируемого газов, скорости инжекции, конечных состава и давления водородно-воздушной смеси.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант №23-29-00267.


  1. Hübert T., Boon-Brett L., Black G. [et al.] Hydrogen sensors - A review, Sens. Actuators, B. 2014. V. 157(2). P. 329-352. DOI: 10.1016/j.snb.2011.04.070.
  2. Wang G., Qin Y., Dai J. [et al.] Performance-enhanced optical fiber hydrogen sensors based onWO3-Pd2Pt-Pt composite film with controlled optical heating // Opt. Fiber Technol. 2019. V. 52. P. 101979. DOI: 10.3390/nano11010128.
  3. Vasiliev A., Shakhnovich I., Samotaev N. [et al.] Intellectual thermoconductometric unit based on aerosol printed ceramic MEMS sensor for the measurement of natural gas composition // Proc. 2018. V. 2. P. 736. DOI: 10.3390/proceedings2130736.
  4. Hübert T., Losi B., Palmisano V., Bader M. Developments in gas sensor technology for hydrogen safety // Int. J. Hydrogen Energy. V.39. P. 20474–20483. DOI:10.1016/j.ijhydene.2014.05.042.

Primary authors

Presentation materials