Analýza výbuchových parametrů směsí uhlovodíku a vodíku se vzduchem

Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava Fakulta bezpečnostního inženýrství

Katedra požární ochrany

Analýza výbuchových parametrů směsí uhlovodíku a vodíku se vzduchem

Student: Bc. Filip Silovský

Vedoucí diplomové práce: Ing. Jan Skřínský, Ph.D.

Studijní obor: Technika požární ochrany a bezpečnosti průmyslu

Termín odevzdání diplomové práce: 12. 4. 2019

Poděkování:

Vedoucímu své diplomové práce Ing. Janu Skřínskému Ph.D. bych chtěl poděkovat za spolupráci a vedení při experimentálním měření a při zpracování diplomové práce. Tato práce byla vypracována v rámci projektu „Inovace pro efektivitu a životní prostředí – Growth“, identifikační kód LO1403 za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I a specifického výzkumu 2019/89.

ANOTACE

SILOVSKÝ, Filip. Analýza výbuchových parametrů směsí uhlovodíku a vodíku se vzduchem. Ostrava, 2019. 85 s. Diplomová práce. VŠB – TU Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství.

Cílem diplomové práce je analýza výbuchového tlaku, maximální rychlosti nárůstu výbuchového tlaku a deflagračního indexu v závislosti na koncentraci a teplotě. Nad rámec práce byla stanovena laminární rychlost hoření, čas do dosažení maxima výbuchového tlaku, adiabatický výbuchový tlak a adiabatická teplota směsi metanu a vodíku se vzduchem. Úvod práce tvoří souhrn nejvýznamnějších studií týkající se současného stavu studované problematiky. Na základě těchto studií byly získány informace o výsledcích měření výbuchových parametrů z minulosti, typech použitých experimentálních aparatur a jejich parametry, spolu s podmínkami měření. Dále je popsána experimentální aparatura, její validace pomocí plynných standardů a také výbuchová komora. Pro měření byla použita metodika původně navržená pro atmosférické podmínky s procedurou přípravy hořlavého souboru pro reálné podmínky teplot. Důraz je kladen na matematickou analýzu formou predikcí klíčových parametrů v závislosti na teplotě i koncentraci. Následná měření probíhala pro metan, vodík a jejich směsi při různých objemových procentech daných látek a teplotách 10, 20 a 40 °C. Dále byly porovnány experimentálně získané hodnoty s výsledky numerické predikce. V závěru práce je uveden příklad vyhodnocení a možného dalšího využití získaných poznatků v praxi.

Klíčová slova: výbuchové parametry, metan, vodík, směs, 20-L výbuchová komora.

ANNOTATION

SILOVSKÝ, Filip. Analysis of the Explosion Parameters of Hydrocarbon and Hydrogen in Air Blends. Ostrava, 2019. 85 p. Diploma thesis. VŠB – TU Ostrava, Faculty of Safety Engineering.

The aim of this thesis is to analyze the explosion pressure, maximum rate of explosion pressure rise and deflagration index as a function of concentration and temperature. In addition to primary aim, the laminar burning velocity, the time to reach the maximum of explosion pressure, the adiabatic explosion pressure and the adiabatic temperature of the mixture of methane and hydrogen with air were also determined. The introduction is a summary of previous studies concerning the current state of the art.

Furthermore, the experimental apparatus, its validation using gaseous standards and the explosion chamber is described. For the measurement, a methodology originally designed for atmospheric conditions with a procedure for preparing a flammable set of real temperature conditions was used. Emphasis is placed on mathematical analysis in the form of prediction of key parameters depending on temperature and concentration. Subsequent measurements were made for methane, hydrogen and their mixtures at different volume concentrations and at three temperatures of 10, 20 and 40 °C. Furthermore, experimentally obtained values were compared with the results of numerical prediction and discussed in comparison with previous studies. In the conclusion of the thesis there is given an example of application the acquired knowledge in practice.

Keywords: Explosion parameters, methane, hydrogen, mixture, 20-L explosion chamber.

Obsah

Úvod ... 1

Rešerše současného stavu poznání ... 3

1 Teoretická část ... 11

1.1 Horní a dolní mez výbušnosti směsí plynů ... 11

1.2 Maximální rychlost nárůstu výbuchového tlaku ... 13

2 Experimentální část ... 14

2.1 Popis přístroje... 14

2.1.1 Iniciační systém ... 14

2.1.2 Příprava hořlavého souboru ... 15

2.1.3 Homogenizace ... 15

2.1.4 Ohřev autoklávu ... 15

2.2 Validace přístroje ... 16

2.3 Postup měření ... 17

2.3.1 Rychlost nárůstu výbuchového tlaku ... 17

2.3.2 Výbuchový tlak ... 18

2.4 Použité chemikálie ... 19

2.4.1 Metan ... 19

2.4.2 Vodík ... 19

3 Výsledky a diskuze ... 20

3.1 Predikce ... 20

3.2 Experiment ... 24

3.2.1 Závislost na čase ... 24

3.2.2 Závislost na koncentraci ... 29

3.2.3 Závislost na počáteční teplotě ... 42

3.3 Shrnutí ... 45

3.3.1 Metan ... 45

3.3.2 Vodík ... 46

3.3.3 Směs metanu a vodíku ... 48

3.4 Aplikace výsledků v praxi ... 53

Závěr ... 54

Budoucí studie a pokračování práce ... 55

Seznam použité literatury ... 56

Seznam obrázků ... 59

Seznam tabulek ... 60

Přílohy ... 61

Seznam symbolů a zkratek

Veličiny

Symbol Jednotka Název

c obj. % koncentrace

(dp/dt) bar/s rychlost nárůstu výbuchového tlaku

 (-) stechiometrický poměr

 (-) Poissonova konstanta

KG bar.m/s deflagrační index

LEL obj. % dolní hranice výbušnosti

p bar tlak

SL cm/s laminární rychlost hoření

texp s doba od iniciace do maximálního výbuchového tlaku

T K teplota

UEL obj. % horní hranice výbušnosti

V m³ objem

Indexy

Index Význam

ad adiabatická, vypočtená hodnota

ex výbuchový

exp experimentální, naměřená hodnota

max maximální hodnota

st stechiometrický

Vybrané pojmy a definice

adiabatický výbuchový tlak - pad – nejvyšší vypočtený tlak, vznikající v uzavřené nádobě při výbuchu dané směsi hořlavých látek se vzduchem, nebo vzduchem a inertními plyny

výbuchový tlak - pex - “nejvyšší tlak, vznikající v uzavřené nádobě při výbuchu dané směsi hořlavých látek se vzduchem nebo vzduchem a inertními plyny, stanovený za určitých zkušebních podmínek [15]“

rychlost nárůstu výbuchového tlaku - (dp/dt)ex – “nejvyšší hodnota směrnice (první derivace) časové křivky tlaku (s vyhlazením, je-li to nutné), naměřená v uzavřené nádobě při výbuchu dané směsi hořlavých látek se vzduchem nebo vzduchem a inertními plyny, zjištěná za stanovených zkušebních podmínek [15]“

maximální rychlost nárůstu výbuchového tlaku - (dp/dt)max – “maximální hodnota rychlosti nárůstu výbuchového tlaku, kdy se mění obsah hořlavé směsi ve směsi [15]“

deflagrační index - KG - “rychlost nárůstu výbuchového tlaku v normalizované formě pro objem nádoby 1 m³ [15]“

rychlost šíření plamene - SL – “rychlost pohybu čela plamene v homogenní plyno- vzduchové směsi za časovou jednotku kolmo k čelu plamene dovnitř do neshořelé směsi [16]“

adiabatická teplota plamene - Tad - nejvyšší vypočtená teplota, vznikající v uzavřené nádobě při výbuchu dané směsi hořlavých látek se vzduchem nebo vzduchem a inertními plyny

dolní mez výbušnosti LEL - “spodní hranice rozsahu výbušnosti, ve kterém může dojít k výbuchu [14]“

horní mez výbušnosti UEL - “horní hranice rozsahu výbušnosti, ve kterém může dojít k výbuchu [14]“

1

Úvod

Zemní plyn je široce uznáván jako jeden z nejvíce slibných alternativních paliv vzhledem k velkým zásobám, nízkému obsahu CO2,máloškodlivými emisemi při spalování a vysokým oktanovým číslem v motorech. Dnes je již zemní plyn využíván a propagován v mnoha průmyslových provozech, spalovacích motorech a ve spotřebičích pro domácnost [7].

Výbuchy plynů a uhelných prachů v uhelných dolech jsou jedním z největších nebezpečí pro průmysl produkující uhlí, který po dlouhá léta přitahoval mnoho výzkumných pracovníků a vládních manažerů. Meze výbušnosti i výbuchové tlaky jsou velmi důležité charakteristiky a jejich znalost může pomoci předejít škodám při výbuchu plynu a uhlí [3].

Výbuchy, které zahrnují vícesložkový plyn (důlní plyn, ropný plyn, veřejný plyn), se často vyskytují a jejich následky ohrožují bezpečnost osob a majetku. Obecně platí, že důlní plyn se skládá převážně z metanu a malé části vodíku v důsledku tepelné metamorfózy uhlí, důlních požárů a výbuchů. Přítomnost malého množství vodíku může způsobit lepší citlivost ke vzniku výbuchu a tím snížit možné nebezpečí při výbuchu plynu.

Vzhledem k jeho charakteristikám, vysoké reaktivitě plamene, širokému rozsahu výbuchu, nízké teplotě zapálení a vysokému riziku výbuchu. Proto je důležité hledat odpovědi na otázky týkající se bezpečnosti a zamezení vzniku výbuchu v dolech [5].

Zabránění nechtěných výbuchů paliv a následných úniků do atmosféry je také zásadní otázkou pro skladování a přepravu paliv. Proto by měly být výbuchové charakteristiky různých typů paliv důkladně prozkoumány. Maximální rychlost nárůstu výbuchového tlaku plynu v uzavřených prostorech, (dp/dt)max a index deflagrace KG jsou důležité vlastnosti směsí. Tyto vlastnosti se často používají k prvotnímu vyčíslení závažnosti výbuchu. Maximální rychlost nárůstu tlaku (dp/dt)max nezávisí jen na vlastnostech směsi (jako je složení směsi, počáteční teplota), ale také na objemu nádoby, kde dochází k výbuchu plynu. Na rozdíl od (dp/dt)max, index deflagrace je vlastností směsi a je nezávislý na objemu použité nádoby při měřícím experimentu [6].

Téma obohacování zemního plynu vodíkem bylo v nedávné době předmětem studia velkého množství výzkumných skupin. Tento proces zvyšuje efektivitu spalování a nabízí

2

určité provozní výhody, jako např. snižování teploty, a především snížení emisí NOx. Kromě toho tato koncepce obohacování také vede potenciálně ke snížení emisí skleníkových plynů CO2. Dále obohacení vodíkem v kombinací s recirkulací spalin vede k vytvoření vícesložkových směsí, ve kterých je množství kyslíku redukováno v porovnání s obyčejným vzduchem. Míchání s horkým vzduchem má za následek zvýšení počáteční teploty těchto směsí [2].

Obohacení uhlovodíkových směsí vodíkem bylo uznáno jako užitečná metoda k překonání určitých nevýhod, které se vyskytly u předmíseného turbulentního spalování zemního plynu v jak stacionárních, tak dynamických systémech, jako je lokální zánik plamene, nestabilita při spalování, nižší výkon atd. Ve skutečnosti substituce vodíku za metan zvyšuje laminární rychlost hoření, odolnost vůči plamenům při daném zatížení a plochu plamene (tj. stupeň malého rozsahu plamene), což vedlo k robustnějšímu a intenzivnějšímu spalování. Na druhou stranu je pro bezpečné používání vodíko-metanových paliv nezbytné plně charakterizovat a kvantifikovat jejich výbušné chování. K tomu je potřebná znalost základních výbuchových charakteristik, a to maximálního tlaku, maximální rychlosti nárůstu tlaku, deflagračního indexu a rychlosti hoření. Tyto vlastnosti patří k nejdůležitějším charakteristikám pro hodnocení procesního rizika a vytvoření bezpečného návrhu technologického zařízení, kde se v budoucnu tyto směsi mohou vyskytovat ve formě hořlavého souboru [4].

3

Rešerše současného stavu poznání

V posledních 15 letech bylo publikováno více než 20 studií zabývajících se výbuchovými parametry čistých látek a směsí vodíku s metanem. Všechny tyto studie byly publikovány pro atmosférický tlak a teplotu jako počáteční podmínky výbuchu.

V chemickém i energetickém průmyslu však existuje celá řada technologií, ve kterých proces probíhá za jiných než standardních podmínek, např. při vyšší počáteční teplotě (nad 20 °C) a tlaku (nad 101,325 kPa). V úvodu jsou shrnuty poznatky dosažené v experimentálních a výpočetních studiích různých autorů se zaměřením na hodnoty adiabatického výbuchového tlaku, výbuchového tlaku, rychlosti nárůstu výbuchového tlaku, maximální rychlosti nárůstu výbuchového tlaku, deflagračního indexu, rychlosti šíření plamene, adiabatické teploty plamene, dolní a horní meze výbušnosti.

Studie R.T.E Hermannse z roku 2007 se zabývá rychlostí laminárního šíření plamene směsi metanu a vodíku. V této studii byly stanoveny hodnoty laminární rychlosti šíření plamene uvedené v tabulce [1].

Tabulka 1 - Předchozí studie parametru SL [1]

Parametr (-)

Hodnota (cm/s)

Sl (CH4) Φ=1 44

Sl (H2) Φ=1,6 360

Studie R.T.E Hermannse et al. z roku 2010 shrnuje dostupné možnosti měření laminárních rychlostí plamene pro CH4, H2, O2, N2 při atmosférickém tlaku metodou tepelného toku. Množství vodíku v palivu bylo různé od 0 obj. % do 40 obj. %. Množství kyslíku se pohybovalo od 20,9 obj. % do 16 obj. %. Počáteční teplota směsi byla měněna od 298 do 418 K. Tyto směsi se mohly tvořit obohacováním vodíku, který je kombinovaný s recirkulací spalin. Empirická korelace pro laminární rychlost hoření pokrývající celý rozsah těchto měření je odvozena a porovnávána s experimenty a dalšími korelacemi

4

dostupných z literatury. Z této studie jsme vybrali k porovnání hodnoty uvedené v tabulkách pro vodík při =1 [2].

Tabulka 2 - Předchozí studie parametru SL v závislosti na  a použité technice [2]

Reference

(-) Parametr

(-) =1

(cm/s) Technika

Hermanns [1] SL(CH4) 36,3 tepelný tok

Coppens [17] SL(CH4) 36,7 tepelný tok

Huang [18] SL(CH4) 41,7 kulová komora

El-Sherif [19] SL(CH4) 36,0 protiproud

Haniff [20] SL(CH4) 41,1 plochý plamen

Tabulka 3 - Předchozí studie parametru SL [2]

Parametr (-)

Hodnota (cm/s)

SL(CH4) H2= 10 % 39

SL(CH4) H2= 20 % 43

SL(CH4) H2 = 30 % 48

SL(CH4) H2= 40 % 54

Qingzhao Li et al. (2012) ve své studii použil standardní nádobu o objemu 20 l ke zkoumání výbušných charakteristik H2-CH4-vzduch, CH4-uhelný prach-vzduch, a také pevných výbušných produktů. Výsledky ukazují, že přítomnost molekulárního vodíku získaného z procesu zahřívání uhlí výrazně zvýší maximální hodnotu tlaku výbuchu a rychlosti nárůstu tlaku směsi H2-CH4-vzduch. S nárůstem obsahu vodíku ve směsích dojde ke zvýšení příslušných dolních hranic výbušnosti. V případech zvolení vhodného poměru vodíku a metanu může tato směs mít nižší spodní hodnotu mezi výbušnosti, než limity těchto látek každé zvlášť. Pro výbuchové parametry směsi CH4-uhelný prach-vzduch panuje zvyšující, a poté klesající trend v závislosti na množství metanu ve směsi. Nejvyšších hodnot je dosaženo, když je frakce metanu rovna 0,1. Dále také prachové exploze a některé další ovlivňující faktory jako koncentrace prachu, počáteční tlak atd. jsou rovněž analyzovány.

V následujících částech studie je o nich vedena systematická diskuze. S podporou snímacího elektronového mikroskopu (SEM) a technologie zpracování obrazu jsou povrchové fraktální charakteristiky pevných výbušných produktů analyzovány a porovnávány pro každý uhelný

5

prach. Výsledky výzkumu mohou mít velký význam pro odhalení kinetiky explozí hybridních směsí, hodnocení rizik a prevence v uhelných dolech [3].

6

Tabulka 4 - Předchozí studie parametru pexp v závislosti na koncentraci H2 a CH4 [3]

Koncentrace H2 (exp)

(obj.%)

Koncentrace CH4 (exp)

(obj.%)

pexp

(bar)

0,5 % 13 % 9,5

1 % 12 % 9,2

1,5 % 10,7 % 8,7

Ernesto Salzano et al. (2012) zkoumal ve své studii účinky obohacování zemního plynu vodíkem při zániku lokálního plamene, nestabilitě spalování a výkonu jak pro stacionární, tak pohyblivé systémy. Oproti tomu ale otázky týkající se protivýbuchových opatření H2-CH4 směsí jsou stále předmětem řešení. V této práci byly provedeny experimentální zkoušky v uzavřené válcové nádobě o objemu 5 litrů pro výbuch směsi H2- CH4 ve stechiometrickém vzduchu. Byly použity různé směsi H2-CH4 (od čistého metanu do čistého vodíku) při různých počátečních tlacích (1, 3 a 6 barů). Výsledky měření umožnily kvantifikaci kombinovaných účinků obou složení směsi (tj. obsah vodíku v palivu) na počáteční tlak, na maximální tlak, maximální rychlost nárůstu tlaku a rychlost spalování.

Naměřené rychlosti hoření byly také korelovány pomocí Le Chatelierovy rovnice.

Při predikci byly stanoveny správné předpovědi (pro každý počáteční tlak) jen s výjimkou směsí s molárním obsahem vodíku v palivu vyšším než 50 % [4].

Tabulka 5 - Předchozí studie parametrů pad, pmax, texp v závislosti na koncentraci CH4

a H2 [4]

CH4

(obj.%)

H2

(obj.%)

p0

(bar)

pad

(bar)

pmax

(bar)

pad - pmax

(bar)

texp

(s)

9,5 0,0 (0 %) 1 8,75 7,13 1,62 0,078

9,2 1,0 (10 %) 1 8,72 7,29 1,43 0,077

8,4 3,6 (30 %) 1 8,65 7,31 1,34 0,057

7,2 7,2 (50 %) 1 8,55 7,45 1,1 0,05

5,4 12,7 (70 %) 1 8,41 7,59 0,82 0,03

0 29,6 (100 %) 1 8,01 7,55 0,46 0,009

Qiuju Ma et al. (2014) ve své studii popsal výbuch vícesložkové směsi plynů jako extrémně složitý s možnými katastrofickými následky. Odpovědí na otázky týkajících se výbuchu vícesložkové směsi plynu je nutné bezodkladně hledat, hlavně díky stále se rozšiřujícímu spektru její aplikace. Tato studie spočívala v sérii pokusů v 20 litrové

7

výbuchové kulové nádobě za podmínek 1 atm a 293 K pro směsi H2-CH4-vzduch. Podíl vodíku v palivu se pohyboval v rozmezí od 0 % do 100 %.

Bylo zjištěno, že maximální teplota nastane při maximálním tlaku a nezáleží na podílu paliva. Experimentální hodnoty maximální hodnoty přetlaku jsou nižší než u adiabatických, což je způsobeno tepelnými ztrátami. Bylo také zpozorováno, že přidáním vodíku se zvětší výbuchový tlak a teplota u experimentálních hodnot, zmenší se však u adiabatických hodnot. Rozdíl mezi experimentálními a adiabatickými výsledky dokazuje lineární korelaci mezi poměrem vodíku. Z tohoto důvodu se odchylka mezi experimentálními a adiabatickými výsledky s rostoucím množstvím vodíku zvyšuje. Kromě toho se projevuje pozitivní účinek přidání vodíku na (dp / dt)max. Při nízkém podílu vodíku je téměř neviditelný, ale efekt se stává velmi výrazným při vyšším obsahu vodíku, který vykazuje exponenciální růst. Pro každé složení paliva během všech experimentů, vrchol přetlaku, teploty a (dp / dt)max týkající se poměru ekvivalence paliva 0,6, 1 a 1,5 se řídí stejným pravidlem φ = 1 je nejvyšší, následováno φ = 1,5 a φ = 0,6. MIE plynné směsi H2- CH4-vzduch při poměru ekvivalence paliva 1,5 byla měřena jako funkce podílu vodíku.

Ukazuje prudký pokles, jelikož vzrůstá poměr vodíku v palivu ze 118 mJ u směsi CH4- vzduch na 0,12 mJ u směsi H2-vzduch. Je také zřejmé, že MIE směsi H2-CH4-vzduch je možné stanovit jako lineární vážený součet MIE každé složky. Váhový faktor je objemová frakce každé součásti. Váhový faktor lze považovat za univerzální metodu pro získání MIE pro specifický vícesložkový plyn [5].

Tabulka 6 - Předchozí studie parametrů pad, pexp, (dp/dt)exp v závislosti na koncentraci CH4 a H2 [5]

Směs č. 1 (Φ = 1) Test

(-)

CH4

(obj.%)

H2

(obj.%)

Vzduch (obj.%)

p_ad (bar)

pexp

(bar)

pad - pexp

(bar)

(dp/dt)_exp (bar/s)

1 0,00 29,59 70,41 7,8 7,0 2,3 1146

2 2,44 21,98 75,58 7,7 6,9 2,3 883

3 5,43 12,68 81,89 7,7 6,8 2,5 496

4 7,19 7,19 85,62 7,6 6,7 2,5 319

5 8,36 3,58 88,06 7,4 6,5 2,5 218

6 9,18 1,02 89,8 7,2 6,3 2,5 144

7 9,51 0,00 90,49 7,0 6,2 2,4 112

8

Tabulka 7 - Předchozí studie parametrů pad, pexp, (dp/dt)exp v závislosti na koncentraci CH4 a H2 [5]

Směs č. 2 (Φ = 1,5) Test

(-)

CH4

(obj.%)

H2

(obj.%)

Vzduch (obj.%)

pexp

(bar)

(dp/dt)_exp (bar/s)

1 0,00 38,66 61,34 5,5 703

2 3,27 29,39 67,34 5,4 493

3 7,47 17,44 75,09 5,2 261

4 10,07 10,07 79,86 5,1 145

5 11,83 5,07 83,1 4,9 113

6 13,10 1,46 85,44 4,7 81

7 13,61 0,00 86,39 4,6 79

Tabulka 8 - Předchozí studie parametrů pad, pexp, (dp/dt)exp v závislosti na koncentraci CH4 a H2 [5]

Směs č. 3 (Φ = 0,6) Test

(-)

CH4

(obj.%)

H2

(obj.%)

Vzduch (obj.%)

P_exp (bar)

(dp/dt)_exp (bar/s)

1 0,00 20,13 79,87 5,0 480

2 1,62 14,62 83,76 4,9 305

3 3,51 8,20 88,29 4,7 159

4 4,58 4,58 90,84 4,6 105

5 5,26 2,26 92,48 4,5 77

6 5,74 0,64 93,62 4,3 63

7 5,93 0,00 94,07 4,3 47

Mahdi Faghih et al. (2016) ve své studii popsal maximální rychlost nárůstu tlaku během výbuchů plynů v uzavřených prostorách a deflagračního indexu jako nejdůležitější vlastnosti předmíchané látky. Tyto vlastnosti můžou sloužit k posouzení možné závažnosti exploze. Mohou však existovat velké rozdíly v deflagraci měřené rozdílnými způsoby pro stejnou směs CH4-vzduch nebo H2-vzduch. V této studii se sférické vlny šířící se v uzavřené nádobě simulují použitím detailního chemického mechanismu a pomocí tepelně a transportně závislých vlastností. Ve výsledcích simulace vzroste maximální výbuchový tlak, dále dojde k nárůstu indexu deflagrace metanu, vodíku a jejich směsí. Dojde ke zkoumání invence poměru ekvivalence, počáteční teploty a počátečního tlaku v závislosti na maximální rychlosti nárůstu tlaku a indexu deflagrace. V této studii bylo zjištěno, že deflagrační index nebyl v předešlých experimentech korektně změřen a že experimenty

9

prováděné ve válcových nádobách byly měřeny značně pod predikovanou hodnotou. Pro směsi H2-CH4, kde je poměr vodíku vetší než 70 %, je pozorován exponenciální růst deflagračního indexu s rostoucím množstvím vodíku. Navíc je zjištěno, že deflagrační index je značně ovlivněn počátečním tlakem, oproti tomu počáteční teplota má na deflagrační index malý vliv. Výsledky, které jsou založeny na základech teoretické analýzy, navrhují korelaci k výpočtu maximální rychlosti nárůstu výbuchového tlaku a indexu deflagrace metanu při širokém rozsahu počátečního tlaku [6].

Tabulka 9 - Předchozí studie parametru KG v závislosti na objemu nádoby pro CH4

[6]

KG (bar m/s) Nádoba (dm³) Reference (-)

55 5 - koule Bartknecht (1981) [21]

46 22 - válec Senecal and Beaulieu (1998) [22]

90 120 - koule Cashdollar (2000) [23]

68 20 - polokoule Cashdollar (2000) [23]

34,5 40 - koule Holtapples (2002) [24]

39 20 - koule Holtapples (2002) [24]

70 20 - koule Holtapples (2002) [24]

65 14 - koule Holtapples (2002) [24]

32,5 40 - koule Gieras (2006) [25]

20 5 - válec Cammarota (2010) – 30 °C [26]

86 20 - koule Crowl (2010) [27]

61 5 - válec Salzano (2012) [4]

31,2 20 - koule Ma (2014) [5]

Tabulka 10 - Předchozí studie parametru KG v závislosti na objemu nádoby pro H2

[6]

KG (bar m/s) Nádoba (dm³) Reference (-)

550 5 - koule Bartknecht (1981) [21]

638 22 - válec Senecal and Beaulieu (1998) [22]

1100 120 - koule Cashdollar (2000) [23]

508 40 - koule Holtapples (2002) [24]

640 6 - polokoule Holtapples (2002) [24]

770 14 - koule Holtapples (2002) [24]

659 5 - koule NFPA 68 (2007) [29]

410 5,3 - válec Tang (2009) [28]

215 5 - válec Salzano (2012) [4]

312 20 - koule Ma (2014) [5]

10

Xiaobo Shen et al. (2017) prováděl ve své studii pokusy k měření parametrů výbuchu směsi metanu a vodíku se vzduchem, které byly provedeny v 20 litrové kulové nádobě s tlakovým senzorem. Data byla pečlivě analyzována a systematicky porovnávána k vyhodnocení účinku přídavku vodíku. Pokud je obsah vodíku nižší než 30 %, maxima křivek maximálního výbuchového tlaku jsou s těmi obsahující metan téměř shodné, což je kombinovaným projevem ekvivalentního poměru a účinkem expanze plamene.

Nicméně hodnoty maximálního nárůstu výbuchového tlaku oproti obsahu metanu vzrůstají v důsledku zvýšení teplotní vodivosti a laminární rychlosti plamene se zvyšujícím se obsahem vodíku. Kromě toho se zvyšujícím se obsahem vodíku výrazně klesají jak dolní, tak horní mez hořlavosti metanu ve směsi. Rychlost laminárního plamene se mění podobně jako maximální rychlost nárůstu výbuchového tlaku a je převážně řízena celkovým poměrem ekvivalence binární palivové směsi ve vzduchu. Celkově by přídavek vodíku mohl významně snížit riziko výbuchu a závažnost systému palivových směsí [7]. S přibývajícím množstvím vodíku se snižuje jak UEL, tak LEL.

Tabulka 11 - Předchozí studie parametrů LEL a UELzávislosti na koncentraci H2 [7]

H2

(obj.%)

LEL (CH4) (obj.%)

UEL (CH4) (obj.%)

0 5 15

5 3 14

10 X 13

15 X 12

20 X 11

30 X 9

11

1 Teoretická část

1.1 Horní a dolní mez výbušnosti směsí plynů

Stechiometrická rovnice hoření uhlovodíků má tvar [13]:

𝐶_𝑚𝐻_𝑥𝑂_𝑦+ 𝑧𝑂₂ → 𝑚𝐶𝑂₂+ (𝑥

2) 𝐻₂𝑂 (1)

Kde m = 1 je počet atomů uhlíku, x = 4 počet atomů vodíku, y = 0 počet atomů kyslíku.

Stechiometrický koeficient „z“ se vypočte z rovnice [13]:

𝑧 = 𝑚 +^𝑥

4−^𝑦

2 → 1 + 1 = 2 (2)

Stechiometrická rovnice hoření metanu má tvar [13]:

𝐶𝐻₄+ 2𝑂₂ → 𝐶𝑂₂+ 2𝐻₂𝑂 (3)

Stechiometrickou koncentraci „cst“ pro směs metanu se vzduchem se vypočte podle rovnice [13]:

𝑐_𝑠𝑡 = 100 1 + 𝑧

0,21

= 100 1 + 2

0,21

= 9,5 % (4)

Kde z je stechiometrický koeficient.

Dolní mez výbušnosti „LEL“ pro směs metanu se vzduchem se vypočte podle rovnice [13]:

𝐿𝐸𝐿 = 0,55 × 𝑐_𝑠𝑡 = 5,23 % (5)

Kde 𝑐_𝑠𝑡 je stechiometrická koncentrace [𝑜𝑏𝑗. %].

Horní mez výbušnosti „UEL“ pro směs metanu se vzduchem se vypočte podle rovnice [13]:

𝑈𝐸𝐿 = 3,5 × 𝑐_𝑠𝑡 = 33,25 % (6)

Kde 𝑐_𝑠𝑡 je stechiometrická koncentrace [𝑜𝑏𝑗. %].

12

Stechiometrická rovnice hoření uhlovodíků má tvar [13]:

𝐶_𝑚𝐻_𝑥𝑂_𝑦+ 𝑧𝑂₂ → 𝑚𝐶𝑂₂+ (^𝑥

2) 𝐻₂𝑂 (7)

Kde m = 0 je počet atomů uhlíku x = 2 počet atomů vodíku, y = 0 počet atomů kyslíku.

Stechiometrický koeficient „z“ se vypočte z rovnice[13]:

𝑧 =¹

2 (8)

Stechiometrická rovnice hoření metanu má tvar[13]:

𝐻₂+¹

2𝑂₂ →¹

4𝐻₂𝑂 (9)

Stechiometrickou koncentraci „cst“ pro směs metanu se vzduchem se vypočte podle rovnice:

𝑐_𝑠𝑡 = 100 1 + 𝑧

0,21

= 100 1 + 1/2

0,21

= 29,58 % (10)

Kde z je stechiometrický koeficient.

Dolní mez výbušnosti „LEL“ pro směs vodíku se vzduchem se vypočte podle rovnice [13]:

𝐿𝐸𝐿 = 0,55 × 𝑐_𝑠𝑡 = 16,27 % (11)

Kde 𝑐_𝑠𝑡 je stechiometrická koncentrace [𝑜𝑏𝑗. %].

Horní mez výbušnosti „UEL“ pro směs vodíku se vzduchem se vypočte podle rovnice [13]:

𝑈𝐸𝐿 = 3,5 × 𝑐_𝑠𝑡 = 103,5 % (12)

Kde 𝑐_𝑠𝑡 je stechiometrická koncentrace [𝑜𝑏𝑗. %].

13

1.2 Maximální rychlost nárůstu výbuchového tlaku

(^𝑑𝑝

𝑑𝑡)

𝑎𝑑,𝑚𝑎𝑥= 3 × (𝑝_{𝑎𝑑,𝑚𝑎𝑥}− 𝑝₀) × (^4×𝜋

3×𝑉)

1

3× [1 − (^𝑝0

𝑝)

1

𝛾× ^{𝑝𝑎𝑑,𝑚𝑎𝑥−𝑝}

𝑝_{𝑎𝑑,𝑚𝑎𝑥}−𝑝₀]

2 3

× (^𝑝

𝑝₀)

1

𝛾 × 𝑆_𝐿 (13) (dp/dt)ad,max - maximální rychlost vypočteného nárůstu výbuchového tlaku bar/s

pad,max - maximální adiabatický výbuchový tlak MPa

p0 - atmosférický tlak MPa

V - objem nádoby m³

SL - laminární rychlost hoření cm/s

 - Poissonova konstanta -

(^𝑑𝑝

𝑑𝑡)

𝑚𝑎𝑥× 𝑉^1/3 = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡. = 𝐾_𝐺 (14)

KG - deflagrační index bar.m/s

(dp/dt)max- maximální rychlost nárůstu výbuchového tlaku bar/s

V - objem nádoby m³

𝑆_𝐿 =

(𝑑𝑝 𝑑𝑡)

𝑒𝑥𝑝

(𝑝_𝑚𝑎𝑥 − 𝑝₀) × (36𝜋)¹³ 𝑉¹³× (𝑝_𝑚𝑎𝑥

𝑝₀ )

1 𝛾

(15)

(dp/dt)exp - maximální naměřená rychlost nárůstu výbuchového tlaku bar/s

pmax - maximální hodnota tlaku MPa

p0 - atmosférický tlak MPa

V - objem nádoby m³

 - Poissonova konstanta -

14

2 Experimentální část

2.1 Popis přístroje

Tělo výbuchové ocelové komory je tvořeno dvouplášťovou nádobou kulového tvaru o objemu 20 litrů a vnitřním průměru 336 mm. Na horní straně je nádoba opatřena otvorem o průměru 145 mm, který se uzavírá pomocí příruby se zámkem a slouží zejména pro pohodlné čištění vnitřního povrchu komory. Uzavření se provádí manuálně. Zařízení se díky použitým materiálům může použít pro experimenty za atmosférického tlaku a počáteční teploty do 170 °C. Maximální provozní tlak autoklávu je 30 barů [8].

Obr. 1 - Schématický nákres experimentálního zařízení [7]

2.1.1 Iniciační systém

Iniciace je provedena sérií indukčních jisker mezi dvěma nerezovými elektrodami, které jsou umístěny ve středu nádoby. Mezi špičkami elektrod je úhel 60 ° a jsou o průměru 4 mm. Obsluhou musí být nastavena jejich vzdálenost na 5 ± 0,1 mm. Sestava elektrod je navržena tak, aby i při nejvyšším výbuchovém tlaku nedocházelo k únikům. K vytvoření jisker je využito vysokonapěťového elektrického transformátoru s efektivní hodnotou napětí 10 kV a zkratovým proudem 40 mA. Požadované doby výbojů jsou zajištěné časovačem, který je připojen k vysokonapěťovému transformátoru. Ustálená doba výbojů je nastavena na 0,2 s. Při neúspěšnému pokusu o iniciaci se tato doba prodlouží o 0,3 s [8].

15

2.1.2 Příprava hořlavého souboru

K míchání složek dochází uvnitř výbuchové komory. Dávkování plynů probíhá pomocí systému složeného z hlavního dávkovacího ventilu, automatického regulátoru plynu, dvou regulátorů tlaku a pěti vstupy pro připojení k tlakovým lahvím s dusíkem, kyslíkem, dvěma hořlavinám a provoznímu tlakovému vzduchu s pneumatickými ventily [8].

2.1.3 Homogenizace

Aby došlo k rovnoměrnému rozložení koncentrací a teplot, je nezbytné jak při přípravě směsí plynů a par s okysličovadlem, tak při ohřevu nezbytně atmosféru uvnitř autoklávu homogenizovat. K dosažení úspěšné homogenizace je autokláv vybaven míchadlem poháněným elektromotorem o výkonu 370 W a 1400 ot./min. Kroutící moment je přenášen z motoru na míchadlo pomocí magnetické spojky. Díky tomuto zařízení je zajištěno, že se žádná výbušná směs nedostane přes ucpávku míchadla k elektrickému motoru [8].

2.1.4 Ohřev autoklávu

Ohřev (otop) je zajištěn pomocí teplotního regulačního systému Presto A30 od společnosti Julabo. Jedná se o systém pro extrémně rychlý ohřev a chlazení vnějších systémů. Tyto systémy udržují přesně teplotu, kterou velice rychle změní a udržují.

To všechno díky výkonným čerpadlům a mnohým bezpečnostním a automatickým funkcím.

Díky hydraulickému utěsnění nemůže dojít k únikům par, média, kondenzaci vody nebo tvorbě námrazy. Vzhledem k malému internímu objemu je velmi snadné reagovat na změny teploty. Uvnitř výměníku se nachází chladící expanzní nádoba k vyrovnávání objemových změn chladícího/topného média. Celkově je kompresor bezúdržbový, jeho funkce a výkon jsou monitorovány a v případě problému je bezodkladně alarmem upozorněna obsluha.

Topný systém je vybavený nastavitelnou bezpečnostní pojistkou při překročení teploty.

Výměník se chladí pomocí vzduchu [8].

16

2.2 Validace přístroje

Validace přístroje pomocí hodnot maximálního výbuchového tlaku a maximální rychlosti výbuchového tlaku byla provedena před každým měřením v souladu s postupem uvedeným v normě ČSN EN 15967. Příklady dvou měření jsou uvedeny v tabulkách 2 a 3.

Výsledek validace je vyhovující, pokud hodnoty získané z měření výbuchových parametrů leží v intervalu nejistot uvedených v tabulkách 2 a 3.

Hodnoty v tabulkách byly získány pro teplotu 20 °C a 1 bar. Experimentální hodnoty koncentrací metanu byly změřeny 10,5 a 10,0; tj. v souladu s normou. Výbuchový tlak i rychlost nárůstu výbuchového tlaku leží v intervalu nejistot v souladu s normou. Odchylka hodnot měření od normou stanovených je dána rozdílnou počáteční teplotou.

Experimentální hodnoty koncentrací vodíku byly změřeny 31,0 a 35,0; tj. v souladu s normou. Výbuchový tlak i rychlost nárůstu výbuchového tlaku leží v intervalu nejistot v souladu s normou. Odchylka hodnot měření od normou stanovených je dána rozdílnou počáteční teplotou.

Tabulka 12 - Normativní a experimentální hodnoty pro validaci přístroje pro směs metan - vzduch

Normativní hodnoty pro 25 °C Experimentální hodnoty pro 20 °C Výbuchový

parametr

Koncentrace [obj. %]

Tlak [bar(a)]

Koncentrace [obj. %]

Tlak [bar(a)]

pmax 10,5 ± 0,5 8,3 ± 0,3 10,5 ± 0,2 7,8 ± 0,8

(dp/dt)max 10,0 ± 0,1 235 ± 7,4 10,0 ± 0,2 221 ± 22,1 Tabulka 13 - Normativní a experimentální hodnoty pro validaci přístroje pro směs vodík - vzduch

Normativní hodnoty pro 25 °C Experimentální hodnoty pro 20 °C Výbuchový

parametr

Koncentrace [obj. %]

Tlak [bar(a)]

Koncentrace [obj. %]

Tlak [bar(a)]

pmax 31,0 ± 1 7,9 ± 0,3 30,0 ± 0,2 8,1 ± 0,8

(dp/dt)max 35,0 ± 0,4 2965 ± 202 31,0 ± 0,2 2805 ± 281

17

2.3 Postup měření

2.3.1 Rychlost nárůstu výbuchového tlaku

“Zkušební směs v klidovém stavu se v uzavřené nádobě (autoklávu) vystaví iniciačnímu zdroji. Přetlak, který vzniká při iniciaci, se měří a charakterizuje výbušností zkušební směsi. Postupně se mění množství zkoušené látky ve zkušební směsi, až jsou stanoveny LEL a UEL, nebo dokud není jasné, že neexistují žádné meze výbušnosti. Je-li zkušební směs připravována metodou parciálních tlaků uvnitř nádoby, musí být postup následující:

a) zkušební nádoba a související části se předehřejí na požadovanou teplotu;

b) nádoba se propláchne inertním plynem (nebo směsí inertních plynů);

c) vakuuje se nádoba a změří se zbytkový tlak;

d) zkušební nádoba se naplní každou látkou na daný parciální tlak (je nutné uvažovat se zbytkovým tlakem, změřeným před plněním);

e) spustí se homogenizační zařízení (např. míchadlo) po stanovenou dobu (3 minuty až 5 minut);

f) vypne se homogenizační zařízení, počká se 1 minutu až 2 minuty až se směs uklidní;

g) uzavře se ventil, který chrání snímač parciálního tlaku;

h) zapne se systém pro záznam výbuchového přetlaku;

i) aktivuje se iniciační zdroj a zaznamená se křivka tlak-čas;

j) otevře se nádrž a vyrovná se tlak na atmosférický tlak;

k) opakují se kroky a) až j) podle potřeby se změněným složením směsi (s celkem 5 zkouškami při mezních koncentracích)[14].“

18

2.3.2 Výbuchový tlak

“Výbušná zkušební směs je zapálena definovaným iniciačním zdrojem, který je umístěn ve středu zkušební nádoby. Pomocí systému pro měření tlaku se měří časová křivka tlaku, vznikající po zapálení výbušné směsi.

Z naměřeného průběhu tlaku se vypočte nejvyšší rychlost nárůstu tlaku (dp/dt)ex a stanoví se maximální výbuchový tlak pex.

Měření se opakuje při odpovídajících skokových změnách obsahu hořlavého plynu ve směsi.

a) Za maximální výbuchový tlak pmax se bere maximální zjištěná hodnota pex.

b) Za maximální rychlost nárůstu výbuchového tlaku (dp/dt)max se bere maximální zjištěná hodnota (dp/dt)ex.

Stejná sada dat, která je získána najednou při jednom postupu, se používá pro stanovení výbuchového tlaku a rychlosti nárůstu výbuchového tlaku a rychlosti nárůstu výbuchového tlaku. Není-li zkušební směs připravována ve zkušební nádobě, je obvykle nezbytné před naplněním zkušební směsi provést vakuování nebo provětrání.

Před plněním musí být provedeno vakuování zkušební nádoby a přívodního potrubí alespoň na tlak 5mbar. Provětrání musí být prováděno tak, aby došlo k úplné výměně atmosféry uvnitř zkušební nádoby. Tento požadavek je splněn, pokud dojde k provětrání objemu vzduchu rovným alespoň 10násobku objemu zkušební nádoby.

Po přivedení zkušební směsi do zkušební nádoby se musí uzavřít vstupní a výstupní ventily.

Zkušební směs se pak musí ponechat ve zkušební nádobě alespoň 2 minuty, aby bylo zajištěno její uklidnění. Pak se zkušební směs vznítí a zaznamená se časová závislost tlaku při výbuchu.

Během zkušební série nesmí oteplení nádoby (způsobené hořením po vznícení) překročit 15 K. Po zkoušce musí být ze zkušební nádoby uvolněn jakýkoliv zbytkový přetlak. Pak se musí nádoba provětrat vzduchem, aby byly odstraněny spaliny. Při provětrání musí být bezpečně odváděny spaliny a odvětrávaný vzduch.

Pokud při zkouškách vzniknou saze, musí být zkušební nádoba a iniciátor vyčištěny.

Celý zkušební postup musí být proveden 5krát pro každé složení zkušební směsi.

- Pro stanovení pex může být počet zkoušek snížen na 3 zkoušky, pokud není rozptyl při těchto třech zkouškách větší než 0,5 bar.

- Pro stanovení (dp/dt)ex může být počet zkoušek snížen na 3 zkoušky, pokud není rozptyl při těchto třech zkouškách relativní standartní odchylka větší než 10% [15].“

19

2.4 Použité chemikálie 2.4.1 Metan

Metan je bezbarvý plyn vyskytující se přirozeně. Nemá zápach a je jednou z hlavních složek zemního plynu. Díky tomu, že umí pohltit infračervené záření, se stal významným skleníkovým plynem. Dá se využít především k výrobě paliva CNG [9].

Tabulka 14 - Fyzikálně-chemické vlastnosti metanu [10]

Vzorec: CH4 Hodnota Jednotka

molární hmotnost 16,04 g/mol

bod vznícení 595 °C

bod varu 161,5 °C

bod tání -182,47 °C

LEL 4,4 obj. %

UEL 17 obj. %

2.4.2 Vodík

Jedná se o bezbarvý, dvouatomový plyn bez chuti a zápachu. Je nejlehčí ze všech látek na zemi. Elementární vodík se udržuje ve vysokých vrstvách stratosféry. Tradičně se používá v ropném průmyslu, chemickém průmyslu a elektronice [11].

Tabulka 15 - Fyzikálně-chemické vlastnosti vodíku [12]

Vzorec: H2 Hodnota Jednotka

molární hmotnost 2,02 g/mol

bod vznícení 560 °C

bod varu -252,76 °C

bod tání -259,19 °C

LEL 4 obj. %

UEL 77 obj. %

20

3 Výsledky a diskuze

3.1 Predikce

7 8 9 10 11 12 13 14 15

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

CH₄ (exp) 10 °C CH₄ (exp) 20 °C CH₄ (exp) 40 °C CH₄ (cal) 10 °C CH₄ (cal) 20 °C CH₄ (cal) 40 °C

p ad [bar(a)]

p exp [bar(a)]

Koncentrace CH₄ [obj. %]

7 8 9 10 11 12 13 14 15

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Obr. 2 - pexp, pad v závislosti na koncentraci CH4 při různých teplotách

Na obr. 2 je znázorněn vývoj velikosti pexp (naměřeného výbuchového tlaku) a pad

(adiabatického tlaku) pro směs CH4-vzduch v závislosti na koncentraci. Koncentrace je v rozmezí od 8 obj. % do 14 obj. %. Adiabatický tlak se pohybuje v rozmezí od 7,8 do 9,4 bar. Výbuchový tlak má hodnoty od 2,1 do 9,4 bar. Měření proběhlo pro teploty 10, 20, 40 °C. Od LEL do výbuchu tlak roste, poté dochází k poklesu až do UEL. Nejnižší pad

je dosaženo při teplotě 10 °C, kdy byl naměřen tlak 8,3 bar pro koncentraci 16 obj. % CH4

a nejvyšší pro koncentrace 10 a 11 obj. % CH4 9,4 bar. Nejnižšího pexp je dosaženo při teplotě 10 °C, kdy byl naměřen tlak 2,1 bar pro koncentraci 8 obj. % CH4 a nejvyšší pro stejnou teplotu a koncentraci 10 obj. % 9,2 bar. Barevné úsečky znázorňují 10% rozmezí rozdílu predikce k naměřeným hodnotám. Z grafu je patrné, že tato podmínka je splněna pro koncentrace od 10 obj. % do 13 obj. %. Pro teplotu 20 °C do 12 obj. %.

21

10 20 30 40 50 60 70

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

H₂ (exp) 10 °C H₂ (exp) 20 °C H₂ (exp) 40 °C H₂ (cal) 10 °C H₂ (cal) 20 °C H₂ (cal) 40 °C

p ad [bar(a)]

p exp [bar(a)]

Koncentrace H₂ [obj. %]

10 20 30 40 50 60 70

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Obr. 3 - pexp, pad v závislosti na koncentraci H2 při různých teplotách

Na obr. 3 je znázorněn vývoj velikosti pexp (naměřeného výbuchového tlaku) a pad

(adiabatického tlaku) pro směs H2-vzduch v závislosti na koncentraci. Koncentrace je v rozmezí od 10 obj. % do 70 obj. %. Adiabatický tlak se pohybuje v rozmezí od 4,1 do 8,5 bar. Výbuchový tlak od 2,8 do 8,2 bar. Je zřejmé, že hodnota tlaku s rostoucí teplotou klesá. Měření proběhla pro teploty 10, 20, 40 °C. Od LEL do výbuchu tlak roste, poté dochází k poklesu až do UEL. Nejnižšího pad je dosaženo při teplotě 10 °C, kdy byl naměřen tlak 4,5 bar pro koncentraci 10 obj. % H2 a nejvyšší pro koncentrace 30 a 31 obj. % H2

8,5 bar. Nejnižšího pexp je dosaženo při teplotě 40 °C, kdy byl naměřen tlak 2,8 bar pro koncentraci 10 obj. % H2 a nejvyšší pro teplotu 10 °C a koncentraci 30 obj. % 8,4 bar.

Barevné úsečky znázorňují 10% rozmezí rozdílu predikce k naměřeným hodnotám. Z grafu je patrné, že tato podmínka je splněna pro koncentrace od 15 obj. % do 70 obj. %.

22

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

3 4 5 6 7 8 9

CH₄+H₂ (exp) (1) 10 °C CH₄+H₂ (exp) (1) 20 °C CH₄+H₂ (exp) (1) 40 °C CH₄+H₂ (cal) (1) 10 °C CH₄+H₂ (cal) (1) 20 °C CH₄+H₂ (cal) (1) 40 °C

p ad [bar(a)]

p exp [bar(a)]

Koncentrace CH₄ [obj. %]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

3 4 5 6 7 8 9

Obr. 4 - pexp, pad směsi Φ 1.0 CH4 a H2 v závislosti na koncentraci při různých teplotách Na obr. 4 je znázorněn vývoj velikosti pexp (naměřeného výbuchového tlaku) a pad

(adiabatického tlaku) pro směs CH4-H2-vzduch v závislosti na koncentraci. Koncentrace je v rozmezí od 0,00 obj. % CH4 a 29,59 obj. % H2 do 9,51 obj. % CH4 a 0,00 obj. % H2. Adiabatický tlak se pohybuje v rozmezí od 7,6 do 9,3 bar. Výbuchový tlak od 6,3 do 8,3 bar.

Je zřejmé, že hodnota tlaku s rostoucí teplotou klesá, měření proběhla pro teploty 10, 20, 40 °C. Nejnižšího pad je dosaženo při teplotě 40 °C, kdy byl naměřen tlak 7,6 bar pro koncentrace 0,00 obj. % CH4 a 29,59 obj. % H2 a nejvyšší pro koncentrace 9,51 obj. % CH4

a 0,00 obj. % H2 9,3 bar. Nejnižšího pexp je dosaženo při teplotě 40 °C, kdy byl naměřen tlak 6,3 bar pro koncentrace 9,18 obj. % CH4 a 1,02 obj. % H2 a nejvyšší při teplotě 10 °C pro koncentrace 0,00 obj. % CH4 a 29,59 obj. % H2 8,3 bar. Barevné úsečky znázorňují 10 % rozmezí rozdílu predikce k naměřeným hodnotám.

Pro porovnání výsledků slouží hodnoty ze studie Qiungzhao Li z roku 2012 [1], které tvrdí, že se snižujícím množstvím metanu se snižuje hodnota pexp. Toto tvrzení se v naší práci nepotvrdilo, naše hodnoty mají rostoucí i klesající tendenci.

23

K dalšímu porovnání výsledků slouží studie od Ernesta Salzana z roku 2012 [4], která byla měřena v 5 litrové válcové nádobě. Hodnoty ze studie a námi naměřené hodnoty jsou porovnány v tabulce 16.

Tabulka 16 - Porovnání hodnot s předchozí studií [4]

CH4

(obj.%)

H2

(obj.%)

pad stud

(bar) pad

(bar)

pmax stud

(bar)

pmax

(bar)

pad

-pad stud

(bar)

pmax

-pmax stud

(bar)

9,5 0,0 (0%) 8,75 8,9 7,13 7,8 0,15 0,67

9,2 1,0 (10 %) 8,72 8,9 7,29 7,9 0,18 0,61

8,4 3,6 (30 %) 8,65 8,8 7,31 7,5 0,15 0,19

7,2 7,2 (50 %) 8,55 8,7 7,45 7,5 0,15 0,05

5,4 12,7 (70 %) 8,41 8,6 7,59 7,5 0,19 -0,09

0 29,6 (100 %) 8,01 8,1 7,55 7,9 0,09 -0,35

Na základě výsledků rozdílů prezentovaných hodnot s předchozí studií [4] lze konstatovat velice dobrou shodu predikovaných dat za použití odlišného výpočetního schématu a termodynamické databáze. Podobně experimentálně získané hodnoty maximálního výbuchového tlaku leží v experimentální chybě 10 % a jsou v souladu s výsledky stejné studie.

24

3.2 Experiment 3.2.1 Závislost na čase

Hodnoty získané z tlakových závislostí prezentované na obrázcích 5-9 jsou vstupními parametry pro stanovení všech výbuchových charakteristik. Na obrázcích jsou pro ilustraci zobrazeny pouze vybrané závislosti. Veškeré změřené záznamy je možné dohledat v příloze.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

0 1 2 3 4 5 6 7 8

9 10 obj. %

9 obj. % 8 obj. % 12 obj. % 14 obj. %

p exp [bar]

Čas [s]

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Obr. 5 - pexp v závislosti na čase pro CH4 při teplotě 10 °C při různých objemech Na obr. 5 je znázorněná časová závislost (texp) směsi CH4 se vzduchem na (pexp). Je vybráno 5 různých koncentrací. Koncentrace byly vybrány pravidlem, že od nejvyšší hodnoty se vzaly 2 hodnoty vždy o 2 koncentrace níže a 2 hodnoty o 2 výše. Počáteční podmínky byly: T = 10 °C, V = 0,02 m³ a p0 = 1 bar. S rostoucí koncentracímá pexp rostoucí tendenci, po dosažení maxima hodnoty klesají. Pro texp je tento trend stejný, s malými výkyvy, ale opačného rázu. Pro koncentraci 8 obj. % jsou hodnoty (pexp = 2,1 bar, texp = 1538 ms), při 9 obj. % (pexp = 5,9 bar, texp = 433 ms). Maximum je dosaženo při koncentraci 10 obj. % (pexp= 9,2 bar, texp = 132 ms). Poté dochází k poklesu (pexp) a nárůstu (texp), při 14 obj. % (pexp= 6,9 bar, texp = 352 ms).

25

0,00 0,05 0,10

0 1 2 3 4 5 6 7 8

9 31 obj. %

25 obj. % 15 obj. % 40 obj. % 70 obj. %

p exp [bar]

Čas [s]

0,00 0,05 0,10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Obr. 6 - pexp v závislosti na čase pro H2 při teplotě 10 °C při různých objemech Na obr. 6 je znázorněná časová závislost (texp) směsi H2 se vzduchem na (pexp).

Je vybráno 5 různých koncentrací. Koncentrace byly vybrány pravidlem, že od nejvyšší hodnoty se vzaly 2 hodnoty vždy o 2 koncentrace níže a 2 hodnoty o 2 výše. Počáteční podmínky byly: T = 10 °C, V = 0,02 m³ a p0 = 1 bar. S rostoucí koncentracímá pexp rostoucí tendenci, po dosažení maxima hodnoty klesají. Pro texp je tento trend stejný, s malými výkyvy, ale opačného rázu. Pro koncentraci 15 obj. % jsou hodnoty (pexp = 5,2 bar, texp = 99 ms), při 25 obj. % (pexp = 8,1 bar, texp = 41 ms). Maximum je dosaženo při koncentraci 31 obj. % (pexp = 8,2 bar, texp = 13 ms). Poté dochází k poklesu (pexp) a nárůstu (texp), při 70 obj. % (pexp= 5,1 bar, texp = 124 ms).

26

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

CH₄+ H₂ (0,6) CH₄+ H₂ (1) CH₄+ H₂ (1,5)

p exp [bar]

Čas [s]

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Obr. 7 - pexp v závislosti na čase pro směs CH4 a H2 při teplotě 10 °C a různých Φ Na obr. 7 je znázorněná časová závislost (texp) směsi CH4-H2-vzduch v závislosti na (pexp) při různých Φ. Počáteční podmínky byly: T = 10 °C, V = 0,02 m³ a p0 = 1 bar. S rostoucí koncentrací metanumá texp rostoucí tendenci. Z grafu je patrné, že Φ = 0,6 se od ostatních dvou diametrálně liší. První směs při Φ = 1 má maximální hodnotu (pexp = 8,3 při texp = 14 ms) pro koncentrace CH4 0,00 obj. % a H2 29,59 obj. %. Druhá směs při Φ = 1,5 má maximální hodnotu (pexp = 8,4 při texp = 14 ms) pro koncentrace CH4 3,27 obj. % a H2

29,39 obj. %. Třetí směs při Φ = 0,6 má maximální hodnotu (pexp = 7,0 při texp = 29 ms) pro koncentrace CH4 0,00 obj. % a H2 20,13 obj. %.

27

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

0 50 100 150 200 250 300 350

10 obj. % 9 obj. % 8 obj. % 12 obj. % 14 obj. %

(dp/dt) exp [bar/s]

Čas [s]

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

0 14 27 41 54 68 81 95

K G,exp [bar.m/s]

Obr. 8 - (dp/dt)exp s KG,exp v závislosti na čase pro CH4 při různých objemech a teplotě 10°C

Na obr. 8 je znázorněná časová závislost (texp) (dp/dt)exp s KG,exp směsi CH4-vzduch.

Počáteční podmínky byly: T = 10 °C, V = 0,02 m³ a p0 = 1 bar. Hodnota texp s rostoucí hodnotou (dp/dt)exp klesá a naopak. Pro koncentraci 8 obj. % jsou hodnoty (dp/dt)exp = 7 bar/s a KG,exp = 1,9 bar.m/s, texp = 1538 ms), při 9 obj. % (dp/dt)exp = 34 bar/s a KG,exp = 9,2 bar.m/s, texp = 433 ms). Maximum je dosaženo při koncentraci 10 obj. % (dp/dt)exp = 324 bar/s a KG,exp = 87,8 bar.m/s, texp = 98 ms). Poté dochází k poklesu (dp/dt)exp a nárůstu (texp), při 14 obj. % (dp/dt)exp = 48 bar/s a KG,exp = 13,0 bar.m/s, texp = 352 ms).