Wojciech Rudy

The influence of gas doping on self-ignition of hydrogen during high-pressure release into air

Abstract:

Wodór jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie. Jego unikalne właściwości pozwalają wnioskować, że w niedalekiej przyszłości stanowić może jeden z głównych nośników energii. Wykorzystanie wodoru pociąga za sobą pewne problemy, szczególnie natury bezpieczeństwa. Spowodowane jest to m.in. pewnymi właściwościami wodoru, do których należą: niska gęstość oraz skłonność do wycieków, a niska energia zapłonu i szeroki zakres palności w powietrzu stwarzają niebezpieczeństwo zapłonu, wybuchu i detonacji. Niska gęstość wodoru (w warunkach normalnych) narzuca konieczność składowania pod wysokim ciśnieniem lub w stanie ciekłym, aby uzyskać racjonalne wymiary zbiornika. Zapłon wodoru bez wyraźnego źródła zapłonu podczas wysokociśnieniowego wypływu do powietrza został po raz pierwszy zaobserwowany już w latach 20-tych XX w. Od tego czasu do wodoru przylgnęło miano “samozapalającego się”. W latach 70-tych XX w. opisano “zapłon dyfuzyjny” jako zapłon w strefie dyfuzji wodoru do podgrzanego przez wiodącą falę uderzeniową powietrza. W ostatnich latach obserwuje się wyraźne zainteresowanie technologiami wodorowymi (m.in. ogniwa paliwowe, silniki tłokowe na wodór) oraz wiążącymi się z nimi zagadnieniami bezpieczeństwa, w tym niekontrolowanym zapłonem podczas wypływu z wysokociśnieniowej instalacji. Ostatnie prace zarówno numeryczne jak i eksperymentalne nakierowane są na dokładne opisanie mechanizmu zapłonu wodoru oraz określenie warunków brzegowych tego zjawiska, w tym: wpływu ciśnienia początkowego, średnicy, kształtu i długości kanału przez jaki następuje wypływ oraz obecności przeszkód na drodze wypływającej strugi. Pomimo tych badań praktycznie brak jest w literaturze wyników dotyczących wpływu domieszkowania innych gazów do wodoru na występowanie samozapłonu wypływającej mieszaniny. Wyniki takich badań pomogłyby bliżej poznać naturę samego zjawiska, a tym samym dostarczyć wiedzę potrzebną do określenia metod jego eliminacji lub co najmniej zmniejszeniu prawdopodobieństwa wystąpienia. Rozprawa stanowi wynik prac eksperymentalnych i numerycznych autora nad zagadnieniem zapłonu wodoru i jego mieszanin z metanem i azotem podczas wysokociśnieniowego wypływu do powietrza. Wyniki przeprowadzonych badań eksperymentalnych i numerycznych wykazały znaczny wpływ domieszkowania metanu i azotu do wodoru na występowanie samozapłonu takiej mieszaniny z wyraźnie silniejszym wpływem metanu. Wypływ wodoru i jego mieszanin przeprowadzono dla zakresu ciśnień 2-17,2 MPa, średnic wypływu: 6, 10 i 14 mm oraz długości kanałów przedłużających 10-100 mm. Największy wpływ domieszkowania jest widoczny dla najdłuższego kanału przedłużającego. Dla tego kanału dodatek 5% metanu lub azotu do wodoru spowodował odpowiednio 2,46 i 2,12 - krotne podwyższenie minimalnego ciśnienia początkowego mieszaniny w porównaniu do minimalnego ciśnienia niezbędnego do wystąpienia samozapłonu czystego wodoru. Natomiast dodatek 10 % azotu spowodował 2,85 - krotny wzrost minimalnego ciśnienia, a 10% dodatek metanu nie spowodował zapłonu dla 100 mm długości kanału przedłużającego dla żadnej z przebadanych średnic dla ciśnień początkowych do 15,3 MPa.