Исследование закономерностей процесса зажигания газовых гидратов при индукционном нагреве

22 Apr 2021, 14:50
15m
1224 (Lomonosov st. 9)

1224

Lomonosov st. 9

ITMO University
oral Energy Saving and Energy Efficiency Energy Saving and Energy Efficiency

Speaker

Olga Gaidukova (Tomsk Polytechnic University)

Description

На сегодняшний день газовые гидраты считаются одним из наиболее перспективных источников энергии. Они представляют собой новый вид чистой энергии и считаются альтернативной энергетикой с огромным потенциальным резервом. Изучение механизма и характеристик процесса горения гидрата метана необходимо для его безопасности хранения и транспортировки, а также для обеспечения высокой эффективности при сжигании. Газовый гидрат практически не образует остатков после сгорания и производит значительно меньше загрязнений, чем традиционные виды топлива, что позволяет использовать его в качестве экологически чистого топлива.
Актуальными являются задачи исследования характеристик, механизма и стадий горения гидратов метана. Благодаря особому составу гидратов метана, процесс сгорания отличается от традиционных твердых и жидких топлив тем, что сжигание гидрата метана представляет многокомпонентный процесс гетерогенного горения. В настоящее время нет надежных теоретических моде-лей, позволяющих адекватно смоделировать горение, и не изучены ключевые характеристики газового гидрата, которые определяют стабильность горения. Таким образом, целью настоящей работы являлось теоретическое исследование процесса зажигания газового гидрата при индукционном нагреве с учетом группы взаимосвязанных процессов теплопереноса, фазовых превращений и химического реагирования.
Момент начала горения, а также продолжительность горения были определены по визуализации процесса горения с применением высокоскоростной видеокамеры. Процессы зажигания газового гидрата включают явно выраженные стадии плавления частиц, испарения, формирования высокотемпературной парогазовой смеси, газофазного зажигания и последующего выгорания. При этом зарегистрированы процессы перемещения частиц газового гидрата, как вследствие отскока от разогретой поверхности стержня, вскипания воды, выбросов частиц гидратов и капелек жидкости, так и вследствие формирования конвективных потоков от разогретой поверхности.
На основании результатов экспериментальных исследований разработана физическая и математическая модель инициирования горения (первой стадии этого процесса – зажигания) газового гидрата при кондуктивном нагреве с варьируемой плотностью подведения тепловой энергии. Задачами моделирования процессов зажигания и горения газовых гидратов являлось варьирования параметров процессов в диапазонах, не реализуемых в эксперименте, то есть существенно шире для соответствия группе топливных приложений.
При анализе результатов математического моделирования в широком диапазоне температуры нагретой поверхности можно отметить, что практически не меняющиеся времена задержки зажигания при T>1100 °C также иллюстрируют большее влияние процессов теплопереноса по сравнению с химическим реагированием. С ростом энергии активации скорость горения значительно уменьшается, что приводит к снижению потока (массового прихода) метана и к снижению скорости горения. В результате, скорость прогрева частицы газового гидрата уменьшается, а время задержки возрастает.
Проведенные эксперименты и математическое моделирование показали, что механизм инициирования горения порошка газового гидрата на нагретой поверхности сохраняется в широком диапазоне температуры. Однако интегральные характеристики процесса инициирования горения могут варьироваться в широком диапазоне вследствие влияния группы рассмотренных факторов. При этом в реальных топливных приложениях схема подвода энергии для инициирования исследуемого процесса может быть совершенно разной: с доминированием кондуктивного, конвективного или радиационного теплообмена, а также при смешанном теплообмене. Разработанная модель теплопереноса позволяет воспроизвести разные условия теплообмена топлива с греющей средой за счет варьирования типа граничных условий. Это является одним из ключевых преимуществ при анализе потенциальных условий инициирования перспективного топлива – газового гидрата.
Применение разработанной модели позволило установить зависимости ключевой характеристики исследованного процесса – времени задержки зажигания от температуры нагрева в диапазоне, существенно превышающем допустимые в экспериментах и соответствующие перспективным топливным технологиям.
Исследование поддержано грантом Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, Соглашение № 075-15-2020-806 (договор № 13.1902.21.0014).

Position of speaker Graduate student
Affiliation of speaker Tomsk Polytechnic University
Publication Impact Factor journals

Primary author

Olga Gaidukova (Tomsk Polytechnic University)

Co-authors

Prof. Pavel Strizhak (Tomsk Polytechnic University) Dr Sergey Misyura (Kutateladze Institute of Thermophysics)

Presentation Materials