Jako kapalná paliva představují alkoholy a jejich směsi slibný potenciál pro snížení emisí znečišťujících látek a snížení závislosti na tradičních fosilních palivech. Výzkum naznačuje, že smíchání alkoholu s tradičními palivy má za následek lepší spalování a tím i snížení emisí sazí HC a C. Nižší alkoholy, jako je metanol, mohou být smíchány s benzinem jako oktanový zesilovač pro jejich vysoké oktanové číslo [1-2]. Výbuchové parametry směsí nebezpečných chemických látek, tj. výbuchový tlak a maximální výbuchový tlak, rychlost nárůstu výbuchového tlaku a maximální rychlost nárůstu výbuchového tlaku v nehybné směsi hořlavé páry, vzduchu a inertního plynu (hořlavém souboru), jsou využívány při projektování různých technik ochrany proti požáru a výbuchu, jako jsou konstrukce odolné výbuchovému tlaku a konstrukce odolné tlakovému rázu při výbuchu, odlehčení výbuchu a potlačeni výbuchu. Článek navazuje na numerickou studii ke zjištění výbuchových charakteristik směsí metanol - vzduch při čtyřech různých počátečních teplotách, ve které byly vypočteny parametry adiabatického výbuchového tlaku [3].
Výbuchový tlak (explosion pressure, pex)
Výbuchový tlak je tlak vznikající v uzavřené nádobě při výbuchu výbušné atmosféry o dané koncentraci.
Maximální výbuchový tlak (maximum explosion pressure, pmax):
Maximální výbuchový tlak je maximální tlak vznikající v uzavřené nádobě při výbuchu výbušné atmosféry za stanovených podmínek zkoušky (při optimální koncentraci směsi).
Rychlost narůstání výbuchového tlaku (rate of explosion pressure rise, (dp/dt)ex)
Rychlost narůstání výbuchového tlaku je směrnice tečny v inflexním bodě výbuchové křivky (závislosti tlaku na čase při dané koncentraci v uzavřené nádobě).
Maximální rychlost nárůstu výbuchového tlaku (maximum rate of explosion pressure rise, (dp/dt)max):
Maximální rychlost narůstání výbuchového tlaku je maximální hodnota nárůstu tlaku za jednotku času při výbuchu všech výbušných atmosfér v rozsahu výbušnosti hořlavé látky v uzavřené nádobě za stanovených zkušebních podmínek
Deflagrační index (deflagration index, KG):
Objemově závislý parametr daného plynu, který se počítá pomocí rovnice kubického zákona: (dp/dt)max·V1/3, kde V je objem [m3].
Směs metanolu (Sigma Aldrich, 99,99 %) se vzduchem byla připravena metodou parciálních tlaků. Experimentální procedura se skládala ze čtyř kroků: (a) výbuchová komora byla ohřáta na požadovanou teplotu 25 °C, resp. 65 °C a evakuována na 4 kPa; (b) do komory byla nadávkována směs v různých stechiometrických poměrech a vzduch tak, aby celková hodnota p0 = 101 kPa; (c) směs byla iniciována indukční jiskrou (10 kJ) umístěnou ve středu komory po 3 minutách homogenizace; (d) po iniciaci byl uložen záznam časové křivky výbuchového parametru a komora vyvětrána.
Experimentální zařízení CA 20L (OZM Research, s.r.o.) se skládá z 20 dm3 kulové ocelové komory s maximálním provozním tlakem autoklávu 3,0 MPa pro daný experiment adaptované pro měření výbuchových parametrů za atmosférického počátečního tlaku (101 kPa) a počátečních teplot 25 °C a 65 °C. Pro dávkování metanolu byl použit speciální systém sestávající z dávkovací nádoby o objemu 0,005 dm3 a tlakové odolnosti 10,0 MPa. Nádoba je připojena k autoklávu trubičkou zakončenou tryskou. Na této trubičce je umístěn dávkovací elektropneumatický ventil. Kapalina je do nádoby dávkována stříkačkou přes ruční kulový ventil (Obr. 1). Po vstříknutí kapaliny do dávkovací nádoby je tato natlakovaná vzduchem na tlak 0,5 MPa. Po otevření dávkovacího ventilu je kapalina vzduchem protlačena přes trysku a rozprášena do vnitřního prostoru autoklávu, který byl předtím evakuován. Vzduch je do komory dávkován systémem sestávajícím z hlavního dávkovacího ventilu, automatického regulátoru průtoku a regulátoru tlaku. Při přípravě směsi par se vzduchem i při ohřevu bylo nutné atmosféru uvnitř autoklávu homogenizovat z důvodů rovnoměrného rozložení koncentrací a teplot. K tomuto účelu bylo použito míchadlo (1400 ot./min.). Otop byl realizován teplotním regulačním systémem (Presto A30, Julabo). Jako iniciační zdroj byla použita indukční jiskra mezi dvěma elektrodami. Výbuchový tlak byl měřen systémem měření dynamického tlaku v závislosti na čase pomocí dvou piezoelektrických tlakových čidel (Kistler, typ 701A). Řízení autoklávu a vyhodnocení tlakových křivek bylo provedeno pomocí programu Pm_CA_Unity [4]. Schematické znázornění celého použitého systému je uvedeno na Obr. 1.
Obrázek 1: Schematické znázornění systému dávkování kapalin a celého systému [4].
Palivo (vol. %) |
Vzduch (vol. %) |
Tad (oC) |
pad (bar) |
pex/p0 (bar) |
pad - pex/p0 (bar) |
(dp/dt)ex (bar/s) |
KG (bar·m/s) |
6 | 94 | 1504 | 6,1 | 1,2 | 4,9 | 1,1 | 0,3 |
7 | 93 | 1673 | 6,8 | 5,8 | 1,0 | 23,3 | 6,3 |
8 | 92 | 1849 | 7,3 | 6,2 | 1,1 | 39,1 | 10,6 |
9 | 91 | 1986 | 7,9 | 6,5 | 1,3 | 58,8 | 15,9 |
11 | 89 | 2215 | 8,8 | 8,1 | 0,7 | 249,7 | 67,7 |
13 | 87 | 2313 | 9,4 | 8,6 | 0,8 | 337,4 | 91,4 |
15 | 85 | 2254 | 9,5 | 9,0 | 0,5 | 398,0 | 107,9 |
17 | 83 | 2126 | 9,4 | 9,0 | 0,3 | 384,5 | 108,3 |
19 | 81 | 1988 | 9,1 | 9,0 | 0,0 | 403,4 | 109,3 |
21 | 79 | 1853 | 9,0 | 8,9 | 0,1 | 398,9 | 108,1 |
23 | 77 | 1722 | 8,7 | 9,0 | 0,4 | 399,6 | 104,2 |
25 | 75 | 1596 | 8,4 | 8,9 | 0,6 | 382,5 | 103,6 |
27 | 73 | 1480 | 8,1 | 8,8 | 0,9 | 395,2 | 107,1 |
29 | 71 | 1362 | 7,9 | 8,8 | 1,1 | 363,1 | 98,4 |
31 | 69 | 1249 | 7,5 | 8,6 | 1,3 | 277,4 | 75,2 |
33 | 67 | 1140 | 7,2 | 8,5 | 1,4 | 251,8 | 68,2 |
35 | 65 | 1035 | 6,8 | 8,4 | 1,7 | 236,1 | 64,0 |
37 | 63 | 934 | 6,5 | 8,2 | 1,9 | 198,4 | 53,8 |
Tabulka 1: Změřené a vypočítané parametry při teplotě 25 °C a tlaku 101 kPa.
Palivo (vol. %) |
Vzduch (vol. %) |
Tad (°C) |
pad (bar) |
pex/p0 (bar) |
pad - pex/p0 (bar) |
(dp/dt)ex (bar/s) |
KG (bar·m/s) |
9 | 91 | 2000 | 7,3 | 4,7 | 2,6 | 9,9 | 2,7 |
11 | 89 | 2224 | 8,2 | 6,6 | 1,6 | 33,1 | 9,0 |
13 | 87 | 2319 | 8,7 | 7,9 | 0,7 | 314,1 | 85,1 |
15 | 85 | 2264 | 8,8 | 8,3 | 0,4 | 378,1 | 102,5 |
17 | 83 | 2139 | 8,7 | 8,5 | 0,1 | 382,7 | 103,7 |
19 | 81 | 2003 | 8,6 | 8,5 | 0,0 | 373,7 | 101,3 |
21 | 79 | 1868 | 8,3 | 8,3 | 0,0 | 286,9 | 77,7 |
23 | 77 | 1737 | 8,1 | 7,6 | 0,5 | 122,8 | 33,3 |
25 | 75 | 1611 | 7,8 | 6,7 | 1,1 | 29,4 | 8,0 |
27 | 73 | 1490 | 7,6 | 6,1 | 1,5 | 17,5 | 4,7 |
29 | 71 | 1372 | 7,3 | 6,0 | 1,2 | 16,6 | 4,5 |
31 | 69 | 1259 | 7,0 | 5,5 | 1,4 | 13,5 | 3,7 |
33 | 67 | 1150 | 6,7 | 5,2 | 1,4 | 13,2 | 3,6 |
35 | 65 | 1045 | 6,4 | 1,3 | 5,1 | 1,7 | 0,5 |
36 | 64 | 994 | 6,2 | 1,6 | 4,6 | 1,9 | 0,5 |
37 | 63 | 944 | 6,1 | 1,2 | 4,9 | 1,4 | 0,4 |
38 | 62 | 896 | 5,9 | 1,2 | 4,7 | 2,0 | 0,5 |
40 | 60 | 801 | 5,6 | 1,1 | 4,6 | 1,5 | 0,4 |
Tabulka 2: Změřené a vypočítané parametry při teplotě 65 °C a tlaku 101 kPa.
Na základě hodnot z Tab. 1-2 lze konstatovat, že trend v hodnotách výbuchového tlaku experimentálně změřeného i adiabatického [3] je s měnící se koncentrací směsi podobný u obou zkoumaných počátečních teplot. Maximální hodnota výbuchového tlaku, se nachází při 15,0-19,0 % obj. metanolu s 83,0-81,0 % obj. vzduchu pro teplotu 25 °C a při 17,0-19,0 % obj. metanolu s 83,0-81,0 % obj. vzduchu pro teplotu 65 °C a dané zkušební podmínky. Vypočtené hodnoty adiabatického výbuchového tlaku ukazují shodu s naměřenými hodnotami v koncentracích blízkých stechiometrických koncentracím, tj. 15,0 - 23,0 % obj. pro obě teploty. Mimo tyto hodnoty se odchylka od naměřených hodnot postupně zvyšuje, s přiblížením se ke koncentračním limitům výbušnosti, LEL a UEL. V případě teploty 25 °C a tlaku 101 kPa nelze horní mez výbušnosti dohledat, pravděpodobně z důvodu nízké tenze par metanolu (psatCH3OH pouze 16.92 kPa). V případě nad-stechiometrických koncentrací se na odchylce od teoretických hodnot výbuchového tlaku kromě tenze par podílí např. tvorba sazí, která snižuje látkové množství plynu uvnitř výbuchové komory. Tab. 1 a 2 ukazují porovnání mezi rychlostmi nárůstu výbuchového tlaku, (dp/dt)ex a deflagračního indexu, KG, v závislosti na koncentraci při atmosférické a zvýšené teplotě. Maximální hodnoty rychlosti nárůstu výbuchového tlaku i deflagračního indexu je dosaženo při koncentracích nad 15,0 % obj. paliva pro teplotu 25 °C a snižují se směrem k LEL. Hodnoty (dp/dt)exjsou nižší pro počáteční teplotu 65 °C s maximální hodnotou při 17,0 obj. paliva a snižují se směrem k LEL i UEL.
Jak je vidět z Tab. 1 a 2, pmax, (dP/dt)max a KG poskytují odlišné hodnoty pro obě počáteční teploty, a ukazují, jak jsou hodnoty těchto veličin citlivé na změnu teploty. Kvantitativně, snížení počáteční teploty o 40 °C zvýší hodnoty těchto parametrů: 8,5 bar → 9,0 bar, 382,7 bar/s → 403,4 bar/s a 103,7 bar·m/s → 109,3 bar·m/s. Rychlost šíření čela plamene roste s rostoucí teplotou, ale klesající množství paliva zase snižuje množství uvolněného tepla a kompenzuje vliv rychlosti šíření plamene na hodnotu výbuchového tlaku. Maximální výbuchový tlak, pmax, byl stanoven jako nejvyšší hodnota z hodnot pex zjištěných pro zkoumanou směs paliva ve vzduchu. S nárůstem počáteční teploty, hodnota výbuchového tlaku klesá vzhledem k poklesu celkového množství paliva ve směsi se vzduchem, dojde tedy při reakci k uvolnění menšího množství energie. Kromě toho, se hodnota výbuchového tlaku snižuje, protože s rostoucí počáteční teplotou klesá tzv. expanzní poměr (poměr teploty zplodin a počáteční teploty). Zvýšení počáteční teploty také zvyšuje rozsah koncentračních mezí výbušnosti. Horní mez výbušnosti se zvyšuje a dolní klesá. Hodnota horní meze je při teplotě 25 °C ovlivněna nízkou hodnotou tlaku nasycených par. Když se koncentrace směsi přibližuje k mezím výbušnosti, klesá výbuchový tlak prudce k hodnotě nula. Hodnota výbuchového tlaku je při teplotě 25 °C ovlivněna nízkou hodnotou tlaku nasycených par.
V Tab. 3 jsou uvedeny hodnoty normalizovaného výbuchového tlaku, Pmax/P0, rozdíl adiabatického a normalizovaného výbuchového tlaku, čas od počátku iniciace k dosažení Pmax, TPmax, rychlost nárůstu výbuchového tlaku, (dP/dT)max a deflagrační index, KG, pro různé koncentrace směsi metanolu se vzduchem. Hodnoty v Tab. 3 jsou uvedeny průměrné hodnoty a odchylky měření vypočítané ze tří hodnot experimentálních dat změřených za identických počátečních podmínek.
T0 = 25 °C | T0 = 65 °C | |
CH3OH (vol.%) | 19,0±0,2 | 17,0±0,2 |
pmax/p0 (bar) | 9,04±0,454 | 8,51±0,412 |
(dp/dt)max (bar/s) | 403,4±40,37 | 382,7±38,25 |
KG (bar·m/s) | 109,3±10,83 | 103,7±10,35 |
Tabulka 3: Průměrné hodnoty výbuchových charakteristik při p0 = 101 kPa.
Byla provedena experimentální studie výbuchových parametrů směsi metanolu se vzduchem v 20 dm3 uzavřené kulové nádobě s centrální iniciací pro různé složení směsi palivo-vzduch, při dvou různých počátečních teplotách a atmosférickém tlaku.
Hlavní závěry:
Prezentovaný výzkum výbuchových parametrů par rozšiřuje sérii studií primárních alkoholů v 20 dm3 výbuchovém autoklávu. Další výzkum v této problematice bude směrován k analýze vlivu objemu výbuchové komory využitím kombinace 20 dm3 a1 m3 komor.
Tato publikace byla vypracována v rámci projektu „Inovace pro efektivitu a životní prostředí - Growth“, identifikační kód LO1403 za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I. Autor velice děkuje doc. Dr. Ing. Břetislavu Janovskému za cenné konzultace a odborné připomínky k měření a vyhodnocení výbuchových parametrů a k problematice fázových rovnováh kapalina-pára.
[1] HUANG, Li, Q.; CHENG, Y.; HUANG, Z. Comparative assessment of the explosion characteristics of alcohol-air mixtures. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2015, roč. 37, s. 91-100. Dostupný také z: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950423015300097. ISSN 0950-4230.
[2] WANG, Liu, H. …[et al.]. Comparative study on alcohol-gasoline and gasoline-alcohol Dual-Fuel Spark Ignition (DFSI) combustion for engine particle number (PN) reduction. Fuel. 2015, roč. 159, č. 9362, s. 250-258. Dostupný také z: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016236115006390. ISSN 0950-4230.
[3] SKŘÍNSKÝ, J.; VEREŠ, J. Explosion characteristics of methanol-air mixtures at elevated temperatures and pressures: numerical study. Časopis výzkumu a aplikací v profesionální bezpečnosti [online], 2016, roč. 9, č. 3. ISSN 1803-3687.
[4] Výbuchová komora CA 20-L pro měření výbuchových parametrů prachových disperzí, plynů a par za standardních i zvýšených teplot: uživatelský manuál pro instalaci, provoz, údržbu a odstraňování problémů: ver. 2 (21. leden 2016). OZM Research, s.r.o.
SKŘÍNSKÝ, Jan. Výbuchové parametry par kapalin: směs etanolu a vzduchu. Časopis výzkumu a aplikací v profesionální bezpečnosti [online]. 2017, roč. 10, č. 3-4. ISSN 1803-3687.
Výzkumný institut práce a sociálních věcí, v. v. i.
Jeruzalémská 1283/9
110 00 Praha 1 - Nové Město
IČO: 00025950
Datová schránka: yi6jvet
DIČ: CZ00025950