Исследование эффективности процесса горения водород-кислородной смеси при различных давлениях и избытке окислителя на основе экспериментально-теоретического исследования

Одним из путей повышения эффективности энергоустановок, в том числе на АЭС, может стать использование в их составе водородных энергетических комплексов и водородно-кислородных парогенераторов. Это может осуществляться путем производства водорода и кислорода методом электролиза и их дальнейшего использования в технологических схемах энергоблоков в виде тепловой энергии. Основополагающим при оценке эффективности такого использования водородных технологий является эффективность сжигания водорода в кислородной среде при различных схемно-параметрических условиях. В данной работе исследованы процессы горения с точки зрения оценки эффективности сгорания водородно-кислородной смеси при различных давлениях и избытке окислителя. Для этого на основе экспериментальных данных, полученных на 4-х секционной жаровой трубе, была верифицирована расчетная модель процессов горения водородно-кислородной смеси, в том числе тепломассообмена в граничных условиях эксперимента. Показано, что увеличение давления продуктов сгорания приводит к заметному уменьшению недожога водорода. Максимальный эффект наблюдается в третьей секции жаровой трубы (уменьшение на 56.72%), а минимальный – в первой секции (уменьшение на 7.58%). При этом среднее удельное снижение недожога водорода в сечениях I-IV жаровой трубы в пределах рассматриваемого давления составило 8.13, 17.41 и 31.34 %/МПа соответственно. Увеличение избытка окислителя приводит к закономерному уменьшению недожога водорода. При этом максимальное снижение достигается при степени избытка окислителя равной 2 в третьей секции жаровой трубы (снижение на 58.86 %). В то же время наблюдается усиление положительного эффекта от повышения давления. При этом в первых двух секциях жаровой трубы наблюдается наибольшая зависимость от увеличения коэффициента избытка окислителя. Максимальное относительное снижение недожога водорода достигается при давлении 6 МПа и составляет 24.46% и 43.5% при степени избытка окислителя 1.5 и 2 соответственно.

1. . Locatelli G., Boarin S., Fiordaliso A., Ricotti M.E. Load following of Small Modular Reactors (SMR) by cogeneration of hydrogen: A techno-economic analysis // Energy. 2018. V. 148. pp. 494-505.

2. . Locatelli G., Fiordaliso A., Boarin S., Ricotti M.E. Cogeneration: An option to facilitate load following in Small Modular Reactors // Progress in Nuclear Energy. 2017. V. 97. pp.153-161.

3. . Stathopoulos P., Sleem T., Oliver Paschereit C. Steam generation with stoichiometric combustion of H2/O2 as a way to simultaneously provide primary 2017. V. 205. pp. 692-702.

4. . Aminov R.Z., Egorov A.N. Hydrogenoxygen steam generator for a closed hydrogen combustion cycle // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. Т. 44. № 21. C. 11161-11167.

5. . Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П. Основные направления использования водорода в энергетике // Российский химический журнал. 1993. Т. 37. № 22. С. l0-17.

6. . Malyshenko S.P., Prigozhin V.I., Savich A.R. et al. Effectiveness of steam generation in oxyhydrogen steam generators of the megawatt power class // High Temp+. 2012. V. 50. 765-773.

7. . Bebelin I.N., Volkov A.G., Gryaznov A.N., Malyshenko S.P. Development and investigation of an experimental hydrogen-oxygen steam generator of 10-mw thermal capacity // Therm Eng+. 1997. V. 44. I. 8. pp. 657-662.

8. . Малышенко С.Л., Пригожин В.И., Рачук В.С. Водород-кислородные парогенераторы // Современное машиностроение. 2009. № 2-3(8-9). 54с.

9. . Аминов Р.З., Егоров А.Н. Эффективность сжигания водорода с избытком окислителя в замкнутом водородном цикле на АЭС // Альтернативная энергетика и экология. 2019. №22-27. С.53-63.

10. . Zel'dovich Ya.B., Barenblatt G.I., Librovich V.B., Makhviladze G.M. The Mathematical Theory of Combustion and Explosions. Moscow: Science; 1985, 597p.

11. . Vargaftik N.B. Handbook of Physical Properties of Liquids and Gases. Deutschland: Springer Berlin Heidelberg; 1975, 758.

12. . Haidn O. J., Frohlke K., Carl J., Weingartner S. Improved combustion efficiency of a H2/O2 steam generator for spinning reserve application // International Journal of Hydrogen Energy. 1998. V. 23. I. 6. pp. 491-497.

13. . Landau L.D., Lifshitz E.M. Course of Theoretical Physics, Volume 6. Nederland: Elsevier; 2013, 558p. [14]. Aminov R.Z., Egorov A.N. Study of Hydrogen Combustion in an Oxygen Environment // High Temp+. 2018. V. 56. I. 5. pp. 744-750.

14. . Aminov R.Z., Egorov A.N. Experimental and Theoretical Studies on the Combustion of Hydrogen-Oxygen Mixtures // International Journal of Energy Research. 2022. V. 46. I. 12. pp. 17682-17692.

15. . Schastlivtsev A., Dunikov D., Borzenko V. Experimental study of the processes in hydrogen-oxygen gas generator // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. V. 44. I. 18. pp. 9450-9455.

16. . ANSYS Fluent Theory Guide, 2013.

17. . Shih Tsan-Hsing, Liou W., Shabbir A., Yang Z., Zhu J. A new 𝑘𝑘 − 𝜀𝜀 Eddy Viscosity Model for High Reynolds Number Turbulent Flows // Computers Fluid. 1995. Vol. 24. No. 3. pp. 227-238.

18. . Adamczyk W.P., Bialecki R.A., Ditaranto M., Gladysz P., Haugen N.L., Katelbach-Wozniak A., Klimanek A., Sladek S., Szlek A., Wecel G.. CFD modeling and thermodynamic analysis of a concept of a mildoxy combustion large scale pulverized coal boiler // Energy. 2017. V. 140(1). pp. 1305-1315.

19. . Das L.M. Hydrogen-oxygen reaction mechanism and its implication to hydrogen engine combustion // International Journal of Hydrogen Energy. 1996. V. 21. I. 8. pp. 703-715.

20. . Aminov R.Z., Gudym A.A. Equations for engineering calculations of the thermodynamic properties of high-temperature dissociated steam // High Temp+. 2019. V. 57. I. 3. pp. 348-354.

21. . Konnov A.A. Yet another kinetic mechanism for hydrogen combustion // Combust Flame. 2019. V. 203. pp. 14-22.