Speaker
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).
| Publication | Impact Factor journals |
|---|---|
| Affiliation of speaker | Tomsk Polytechnic University |
| Position of speaker | Graduate student |
