Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков

Экспериментальные результаты исследования недожога водорода при сжигании в среде кислорода

https://doi.org/10.15518/isjaee.2022.01.052-068

Полный текст:

Аннотация

Областью исследования является экспериментальное изучение состава пара в результате сжигания водорода в среде кислорода с целью оценки недожога водорода. Анализируется имеющийся опыт экспериментальных исследований по сжиганию водорода в среде кислорода. Среди известных работ недожог водорода определялся после смешения диссоциированного пара с охлаждающим компонентом, что способствует его резкому снижению температуры. В результате это приводит к снижению числа рекомбинаций непрореагировавшего водорода в сторону образования пара, что приводит к повышенному содержанию водорода в паре. В ряде стран Европы и Азии большое число работ посвящено сжиганию различных видов топлива с добавками водорода в двигателях внутреннего сгорания. Целью статьи является дополнение и обобщение серии экспериментов, выполненных авторами статьи, по исследованию недожога водорода при сжигании в среде кислорода без использования охлаждающего компонента для смешения с диссоциированным паром. Применялось только внешнее охлаждение жаровой трубы экспериментальной установки. Данная постановка экспериментов выполнена впервые. Для условий экспериментов, проведенных авторами статьи приведена схема, составные части и измерительные средства экспериментальной установки. Приведены исходные данные по давлению и температуре водорода, кислорода, охлаждающей воды. Приведены основные выражения методики определения недожога водорода. Приведены основные результаты экспериментальных измерений. Показаны графические результаты измерения температуры пара по длине жаровой трубы экспериментальной установки, расходов водорода и кислорода, температуры и расхода охлаждающей воды, давления внутри жаровой трубы и в трубопроводе отбора пара на химический анализ. На основе обобщения серии экспериментов получен экспоненциальный характер снижения недожога водорода по длине жаровой трубы экспериментальной установки, что свидетельствует об интенсивных процессах рекомбинации водорода в сторону образования пара. Установлено, что за время 0,069с при движении диссоциированного пара внутри жаровой трубы длинной 980 мм недожог водорода уменьшается с 5,85 до 0,016 % масс при стехиометрическом сжигании и до 0,0138 % масс при избытке окислителя, равном 1,4.

Об авторах

Р. З. Аминов
ФГБУН Саратовский научный центр РАН, Отдел энергетических проблем СНЦ РАН
Россия

Аминов Рашид Зарифович – доктор технических наук, профессор, руководитель Отдела энергетических проблем 

SPIN-код 6074-0035;
Scopus Author ID: 7006689108
Research ID: O-3305-2014

410054, Саратов, ул. Политехническая, д. 77 офис № 13



А. И. Счастливцев
ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН
Россия

Счастливцев Алексей Иванович – кандидат технических наук, старший научный сотрудник

SPIN-код: 1260-3444;
Scopus Author ID: 36773660300
Research ID: D-7385-2014

стр. 2, д. 13, ул. Ижорская, Москва, 125412



A. Н. Байрамов
ФГБУН Саратовский научный центр РАН, Отдел энергетических проблем СНЦ РАН
Россия

Байрамов Артем Николаевич – кандидат технических наук, старший научный сотрудник  Отдела энергетических проблем

SPIN-код: 1620-2441
Scopus Author ID: 35224451800
Research ID: P-6565-2017

410054, Саратов, ул. Политехническая, д. 77 офис № 13



Список литературы

1. Энергетическая стратегия России на период до 2035г. Правительство Российской федерации. – М., 2020г.-79 с.

2. Головин Р. А. Стратегия деятельности Госкорпорации «Росатом». М., 2018г.

3. Аминов Р.З. Комбинирование водородных энергетических циклов с атомными электростанциями / Р. З. Аминов, А. Н. Байрамов. М.: Наука, 2016.254с.

4. Пат. 2459293 Российская Федерация, МПК G 21D1/00. Турбинная установка атомной электростанции (варианты) / Аминов Р.З, Байрамов А.Н., Егоров А.Н.; заявители и патентообладатели Аминов Р.З, Байрамов А.Н., Егоров А.Н. – № 2011123255/07 ; заявл. 08.06.2011; опубл. 20.08.2012, Бюл. № 23. – 9 с. : ил.

5. Пат. № 2736603 Российская Федерация. Система безопасного использования водорода при повышении мощности двухконтурной АЭС выше номинальной / Байрамов А. Н., Аминов Р. З; заявители и патентообладатели Байрамов А. Н., Аминов Р. З. -№2020106866; заявл. 15.08.2019; опубл. 19.11.2020г. Бюл. №32.

6. Аминов Р.З. Оценка системной эффективности АЭС в комбинировании с водородным энергетическим комплексом / Р. З. Аминов, А. Н. Байрамов // Известия РАН. Энергетика. – 2019. №1. С.70-81.

7. Aminov R. Z. Assessment of the Performance of a Nuclear–Hydrogen Power Generation System / R. Z. Aminov, A. N. Bairamov, M. V. Garievskii // Thermal Engineering. 2019. №3. Vol.66. Pages.196-209.

8. Аминов Р. З. Оценка эффективности комбинирования АЭС с водородным комплексом в условиях безопасного использования водорода в паротурбинном цикле / Р. З. Аминов, А. Н. Байрамов // Известия вузов. Проблемы энергетики.2021.№1.С.56-69.

9. Aminov R.Z., Bairamov A.N., Shatskova O. V. Assessment of the Efficiency of Hydrogen Cycles on the Basis of Off-Peak Electric Energy Produced at a Nuclear Power Station / R. Z. Aminov, A. N. Bairamov, O. V. Shatskova// Thermal Engineering.– 2009.– Т.56.-№11– Pages. 940 – 945.

10. Аминов Р.З. Системная эффективность водородных циклов на основе внепиковой электроэнергии АЭС / Р. З. Аминов, А. Н. Байрамов // Известия РАН. Энергетика. – 2011.– № 4.– С. 52-61.

11. Schastlivtsev A.I. Hydrogen-oxygen steam generator applications for increasing the efficiency, maneuverability and reliability of power production / A. I. Schastlivtsev, V. I. Borzenko // Journal of Physics: Conference Series.2017.Т. 891.№ 1.012213.

12. Schastlivtsev A. I. Experimental study of the processes in hydrogen-oxygen gas generator /A. I. Schastlivtsev, D. Dunikov, V. I. Borzenko // International Journal of Hydrogen Energy.2019. -Т. 44.№ 18. — Pages. 9450-9455.

13. Аминов Р.З. Обоснование типа дополнительной турбинной установки при комбинировании АЭС с водородным энергетическим комплексом / Р. З. Аминов, А. Н. Байрамов // Труды Академэнерго.2015.-№3.-С.63-76.

14. Пат. №2427048 Российская Федерация, МПК7 F 22B 1/26, G 21D5/16, F 01K3/18. Система сжигания водорода для паро-водородного перегрева свежего пара в цикле атомной электрической станции / Аминов Р.З., Байрамов А.Н.; заявители и патентообладатели Аминов Р.З., Байрамов А.Н. – № 2009117039/06; заявл. 04.05.2009; опубл. 20.08.2011, Бюл. № 23. – 8 с.: ил.

15. Пат. №2709237. Российская Федерация, МПК F 22B 1/26, G 21D5/16. Система сжигания водорода для паро-водородного перегрева свежего пара в цикле атомной электрической станции с закрученным течением компонентов и с использованием ультравысокотемпературных керамических материалов / Байрамов А. Н.; заявитель и патентообладатель Байрамов А. Н. – №2018134273; заявл. 27.09.2018; опубл.17.12.2019. Бюл. №35.-15с.: ил.

16. Пат. №2488903 РФ, МПК G21D5/16. Система сжигания водорода в цикле АЭС с регулированием температуры водород-кислородного пара / Аминов Р.З., Байрамов А.Н., Юрин В.Е.; заявители и патентообладатели Аминов Р.З., Байрамов А.Н., Юрин В.Е. – № 2012118303/07; заявл. 03.05.12; опубл. 27.07.13, Бюл. № 21. – 17 с.: ил.

17. Stathopoulos P., Sleem T., Oliver Paschereit C. Steam generation with stoichiometric combustion of H2/O2 as a way to simultaneously provide primary control reserve and energy storage / Stathopoulos P., Sleem T., Oliver Paschereit C. // Applied energy.-2017/Т. 205 Pages.692-702.

18. Peschka W. Hydrogen combustion in tomorrow’s energy technology / W. Peschka // International Journal of Hydrogen Energy.1987. -V. 12.№ 10.Pages. 481– 499.

19. Demonstration plant for the hydrogen/oxygen spinning reserve / H. J. Sternfeld, P. A. Heinrich // International Journal of Hydrogen Energy.1989.V. 14, Iss. 10.Pages.703–716.

20. Fröhlke K. Spinning reserve system based on H2/O2 combustion / K. Fröhlke, O. J. Haidn // Energy Convers. Mgmt.1997.V. 38, № 10–13.Pages. 983– 993.

21. Haidn O. J., Fröhlke K., Carl J., Weingartner S. Improved combustion efficiency of a H2/O2 steam generator for spinning reserve application / O. J. Haidn, K. Fröhlke, J. Carl, S. Weingartner // International Journal of Hydrogen Energy.1998.V. 23.Iss. 6.Pages. 491– 497.

22. Разработка и исследование экспериментального водород-кислородного парогенератора мощностью 10МВт (т) / И. Н. Бебелин [и др.] // Теплоэнергетика. 1997. №8. С.48-52.

23. Малышенко С.П., Пригожин В.И., Савич А.Р., Счастливцев А.И., Ильичев В.А., Назарова О.В. Эффективность генерации пара в водороднокислородных парогенераторах мегаваттного класса мощности // Теплофизика высоких температур. 2012. T. 50. № 6. С. 820–829.

24. Прибатурин Н. А. Экспериментальное исследование процесса горения смесей водород-кислород и метан-кислород в среде слабоперегретого водяного пара / Н. А. Прибатурин [и др.] // Теплоэнергетика.2016.№5.С.31-36.

25. Борзенко В. И. Эффективность генерации пара в водородно-кислородном парогенераторе киловаттного класса мощности / В. И. Борзенко, А. И. Счастливцев // Теплофизика высоких температур.2018.Т.56.Вып.6.С.946-952.

26. Tanneberger T. Combustion efficiency measurements and burner characterization in a hydrogen-oxyfuel combustor / T. Tanneberger [and other]// International Journal of Hydrogen Energy. Volume 44. Issue 56. 2019. Pages 29752-29764.

27. Haller J. Thermodynamic concept for an efficient zero-emission combustion of hydrogen and oxygen in stationary internal combustion engines with high power density / J Haller, T. Link // International Journal of Hydrogen Energy. Volume 42. Issue 44. 2017. Pages 27374-27387.

28. Kuznetsov M. Experiments on combustion regimes for hydrogen/air mixtures in a thin layer geometry / M. Kuznetsov, J. Grune // International Journal of Hydrogen Energy.-2019.Volume 44.Issue 17.Pages. 8727-8742.

29. Lu Q. Hetero-homogeneous combustion of premixed hydrogen–oxygen mixture in a micro-reactor with catalyst segmentation / Q. Lu [and other] // International Journal of Hydrogen Energy.-2016.Volume 41.Issue 28.Pages. 12387-12396.

30. Huang F. Effects of hydrogen addition on combustion characteristics of a free-piston linear engine with glow-assisted ignition / F. Huang, W. Kong // International Journal of Hydrogen Energy.-2021.Volume 46.Issue 44.Pages 23040-23052.

31. Tang G. Experimental investigation of premixed combustion limits of hydrogen and methane additives in ammonia / G. Tang [and other] // International Journal of Hydrogen Energy.-2021.Volume 46.Issue 39.Pages 20765-20776.

32. Wang Y. Theoretical investigation of the combustion performance of ammonia/hydrogen mixtures on a marine diesel engine / Y. Wang, X. Zhou, L. Liu // International Journal of Hydrogen Energy.-2021.Volume 46.Issue 27.Pages 14805-14812.

33. Zhu H. Effect of excess hydrogen on hydrogen fueled internal combustion engine under full load / H. Zhu [and other] // International Journal of Hydrogen Energy.-2020.Volume 45.Issue 39.Pages 2041920425.

34. Yu X. Effects of hydrogen direct injection on combustion and emission characteristics of a hydrogen/Acetone-Butanol-Ethanol dual-fuel spark ignition engine under lean-burn conditions / X. Yu [and other] //International Journal of Hydrogen Energy.-2020.Volume 45.Issue 58.Pages 34193-34203.

35. Wang D. Numerical study of the premixed ammonia-hydrogen combustion under engine-relevant conditions / D. Wang // International Journal of Hydrogen Energy.-2021.Volume 46.Issue 2.Pages 2667-2683.

36. Shanga W. Effect of exhaust gas recirculation and hydrogen direct injection on combustion and emission characteristics of a n-butanol SI engine / W. Shanga [and other] // International Journal of Hydrogen Energy.2020.Volume 45.Issue 35.Pages 17961-17974.

37. Wang J. Numerical investigation of water injection quantity and water injection timing on the thermodynamics, combustion and emissions in a hydrogen enriched lean-burn natural gas SI engine / J. Wang [and other] // International Journal of Hydrogen Energy.2020.Volume 45.Issue 35. Pages 17935-17952.

38. Yu X. A comparative study on effects of homogeneous or stratified hydrogen on combustion and emissions of a gasoline/hydrogen SI engine / X. Yu // International Journal of Hydrogen Energy.-2019.Volume 44.Issue 47.Pages 25974-25984.

39. Shi B. Rapidly mixed combustion of hydrogen/oxygen diluted by N2 and CO2 in a tubular flame combustor / B. Shi [and other] // International Journal of Hydrogen Energy.-2018.Volume 43.Issue 31.Pages 14806-14815.

40. Metrow C., Gray S., Ciccarelli G. Detonation propagation through a nonuniform layer of hydrogenoxygen in a narrow channel / C. Metrow, S. Gray, G. Ciccarelli // International Journal of Hydrogen Energy.2021.Volume 46.Issue 41.Pages 21726-21738.

41. Yapicioglu A., Dincer I. Performance assesment of hydrogen and ammonia combustion with various fuels for power generators / A. Yapicioglu, I. Dincer // International Journal of Hydrogen Energ.2018. Volume 43.Issue 45.Pages 21037-21048.

42. Zhang F. Characterising premixed ammonia and hydrogen combustion for a novel Linear Joule Engine Generator / F. Zhang [and other] // International Journal of Hydrogen Energy.2021.-Volume 46.Issue 44.Pages 23075-23090.

43. Ramsay C. J. A numerical study on the effects of constant volume combustion phase on performance and emissions characteristics of a diesel-hydrogen dual-fuel engine / C. J. Ramsay [and other] // International Journal of Hydrogen Energy.-2020.Volume 45.Issue 56.Pages 32598-32618.

44. Mashruk S., Xiao H., Valera-Medina A. RichQuench-Lean model comparison for the clean use of humidified ammonia/hydrogen combustion systems / S. Mashruk, H. Xiao, A. Valera-Medina // International Journal of Hydrogen Energy.-2021.Volume 46.Issue 5.Pages 4472-4484.

45. Valera-Medina A. Premixed ammonia/hydrogen swirl combustion under rich fuel conditions for gas turbines operation / A. Valera-Medina [and other] // International Journal of Hydrogen Energy.-2019.Volume 44.Issue 16.Pages 8615-8626.

46. Zhao Y., McDonell V., Samuelsen S. Assessment of the combustion performance of a room furnace operating on pipeline natural gas mixed with simulated biogas or hydrogen / Y. Zhao, V. McDonell, S. Samuelsen // International Journal of Hydrogen Energy.-2020 Volume 45.Issue 19.Pages 11368-11379.

47. Zhao Y., McDonell V., Samuelsen S. Influence of hydrogen addition to pipeline natural gas on the combustion performance of a cooktop burner / Y. Zhao, V. McDonell, S. Samuelsen // International Journal of Hydrogen Energy.2019.-Volume 44.Issue 23.Pages 12239-12253.

48. Zhao Y., McDonell V., Samuelsen S. Experimental assessment of the combustion performance of an oven burner operated on pipeline natural gas mixed with hydrogen / Y. Zhao, V. McDonell, S. Samuelsen // International Journal of Hydrogen Energy.-2019.Volume 44.Issue 47.Pages 26049-26062.

49. Nik Muhammad Hafiz Simulation of the combustion process for a CI hydrogen engine in an argonoxygen atmosphere / Nik Muhammad Hafiz, Mohd Radzi AbuMansor, Wan Mohd Faizal Wan Mahmood // International Journal of Hydrogen Energy.-2018.Volume 43.Issue 24.Pages 11286-11297.

50. Riahi Z. Combustion with mixed enrichment of oxygen and hydrogen in lean regime / Z. Riahi [and other] // International Journal of Hydrogen Energy.-2017.Volume 42.Issue 13.Pages 8870-8880.

51. Aminov R. Z. On the issue of investigating the kinetics of processes in dissociated water steam / R. Z. Aminov, A. I. Schastlivtsev, A. N. Bairamov // International Journal of Hydrogen Energy.2017.Т. 42.№ 32. C. 20843-20848.

52. Аминов Р.З. Экспериментальная оценка доли непрореагировавшего водорода при сжигании в среде кислорода / Р. З. Аминов, А. И. Счастливцев, А. Н. Байрамов // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2020. № 718 (330-341).С. 68-79.

53. Aminov R. Z. Experimental Evaluation of the Composition of the Steam Generated during Hydrogen Combustion in Oxygen / R. Z. Aminov, A. I. Schastlivtsev, and A. N. Bayramov //High Temperature.2020.Vol. 58.№. 3. Pages. 410–416.


Рецензия

Для цитирования:


Аминов Р.З., Счастливцев А.И., Байрамов A.Н. Экспериментальные результаты исследования недожога водорода при сжигании в среде кислорода. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2022;(01):52-68. https://doi.org/10.15518/isjaee.2022.01.052-068

For citation:


Aminov R.Z., Schastlivtsev A.I., Bayramov A.N. Experimental results of the study of underburned hydrogen during burning in oxygen medium. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2022;(01):52-68. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2022.01.052-068

Просмотров: 137


ISSN 1608-8298 (Print)