CC BY
25Численное моделирование рекомбинации водорода в пассивном каталитическом рекомбинаторе водорода
Зыонг Куанг Хыонг
аспирант, ИАТЭ НИЯУ МИФИ - Обнинский институт атомной энергетики, [email protected]
Авдеенков Александр Владимирович
к. ф.-м. н., ИАТЭ НИЯУ МИФИ - Обнинский институт атомной энергетики
Основной мировой тенденцией обеспечения водородной взрывобез-опасности является использование пассивных каталитических реком-бинаторов водорода (ПКРВ) наряду с защитной оборочкой (ЗО) большого свободного объема.
Целью численных исследований, проведенных в данной работе, является обоснование численного критерия перехода от беспламенной рекомбинации на катализаторе к объемному горению водорода. Поэтому для правильной численной оценки крайне необходимо учитывать как рекомбинацию на поверхности катализатора, так и в объеме воздушно- водородной смеси.
В статье утверждены экспериментальные результаты предела под-жига рекомбинатора типа типа AREVA. Обнаружился поджига в пром-ках платин при XH2=6% и развитая объемная реакция при XH2= 7,5%. Ключевые слова: рекомбинатор, беспламенная рекомбинация, химическая кинетика, поджиг, многошаговая реакция.
Введение
Основной мировой тенденцией обеспечения водородной взрывобезопасности является использование пассивных каталитических рекомбинаторов водорода (ПКРВ) наряду с защитной оборочкой (ЗО) большого свободного объема. Но нельзя исключать, что и сам рекомбинатор при некоторых условиях может обеспечивать не только рекомбинацию на катализаторе, но и спровоцировать интенсивную рекомбинацию в объеме рекомбинатора, что собственно мы и называем здесь под-жигом.
Рекомбинатор имеет стандартную конструкцию, представляющую собой каталитический блок, помещенный в нижнюю часть стальной прямоугольной трубы с открытым выходом. Выходная часть сверху глухая, одна или несколько боковых частей у выхода прикрыты металлической сеткой (решеткой). При появлении во внутреннем объеме рекомбинатора водорода на каталитической поверхности начинается экзотермическая реакция рекомбинации водорода и кислорода в воду, которая обеспечивает возникновение естественной конвекции. ПКРВ не требует внешнего подвода энергии или какого-либо управления.
За рубежом эксперименты в паровоздушной среде проводились на установках KALI- Н2 и Н2-PAR, которые определили следующие пределы воспламенения в зависимости от состава газовой смеси [1-4]:
• примерно 5.5% - 6.8% молярных долей водорода в сухом воздухе,
• примерно 8.5 % молярной доле водорода при 9.2 % молярной доле пара,
• примерно 8.6 % молярной доле водорода при 31 % молярной доле пара,
• примерно 10% водорода при молярной доле пара 45%.
В Германии (Institute for Energy Research, Aachen
University) [3-5] начиная с 2000 годов были проведены масштабные исследования конструкции и материалов катализаторов для использования в пассивных автокаталитических ре-комбинаторах водорода (экспериментальные установки RE^). Исследования проводились не только на эффективность рекомбинации водорода, но и на выяснение условий беспламенной рекомбинации [3-5]. Так как результаты этих исследований были представлены с достаточной долей детализации, полученные данные часто используются для верификации расчетных моделей. В дальнейшем мы также будем использовать данные этих экспериментов для наших численных исследований.
Описание модели
Для численных исследования был использован комплекс STAR CCM+ с необходимыми для моделирования составляющими: газовый поток, тепломассоперенос с химическими поверхностными реакциями и объемными реакциями, протекающими в рекомбинаторе коробчатого типа, состоящем из: впускной, центральной и дымоходной секций, как показано на Рис. 1.
X X
о го А с.
X
го m
о
м о м
CJ
fO CS
о
CS
о ш m
X
<
m О X X
LJn, Тп, Су
пновая смесь
плоскость симметрии
Рисунок 1- Расчетная схема задачи поверхностной реакции оксидации водорода на пластинах в установке REKO-3.
Эта геометрия аналогична геометрии рекомбинатора, установленного на испытательной установке REKO-3, Установка представляет собой вертикальный канал прямоугольного сечения, состоящий из входного участка, участка с каталитическими пластинами высотой 143 мм и выходного участка. Ширина канала 46 мм, высота - 504 мм. Каталитические пластины сделаны из нержавеющей стали и покрыты каталитическим материалом: пористым оксидом (для увеличения площади поверхности реакции) и платиной. Пластины имеют толщину 1,5 мм, высоту 143 мм, располагаются на одной высоте, параллельно друг друга. Расстояние между пластинами составляет 8,5 мм. Газы внутри каталитических рекомбинаторов водорода далеки от своих критических условий. Поэтому предполагалось, что смесь водород-воздух-пар внутри ПКР была идеальным газом, и, средние значения плотности, удельной теплоемкости и теплопроводности, характерные для этого типа материала^= 7700 кг/м3, Cps= 460 Дж/(кг*К), 25 Вт/(м*К) [6]. Здесь мы использовали двухмерную аппроксимацию реальной геометрии для проверки нашей модели, основанной на коде STAR CCM +. Система уравнений в частных производных: непрерывности, импульса, энтальпии и материального баланса для газа и теплопроводности для стальной конструкции ПКВР была решена численно с помощью метода конечных объемов, реализованного в свободном коде STAR CCM+. Следующие граничные условия были применяется во время вычислений:
- Скорость газа на входе V0 = 0,8 м/с,
- Температура газа на входе T0 = 300К и давление, P0 = 101 325 Па,
- Входные молярные доли водорода Xh2 = 0.04, азота Xn2 = 0,7905 (1 - Xh2), воды Xh20= 0 и кислорода Xo2= 0,2095 (1 - Xh2),
- Нулевая скорость газа на пластинах катализатора и на стенках ПКРВ,
- Адибатное условие на внешних поверхностях ПКРВ,
- Явление термодиффузии (эффект Соре),
- Чтобы полностью учесть эффекты плавучести, гравитационное ускорение было включено в уравнения движения. Для моделирования теплового излучения в объеме используется метод дискретных ординат.
В коде STAR CCM+ были проведены расчеты на тетраэдральной сетки с призматическим подслоем, содержащей 158846 ячеек . Призматический подслой состоит из 7 ячеек: минимальная толщина призмы 0,02 мм, максимальная - 0,4 мм, коэффициент роста ширины ячейки 1,3.
Модель турбулентности используется для прогнозирования турбулентности в потоке. Модель турбулентности представляет собой модель с двумя уравнениями, которая решает уравнения переноса для турбулентной кинетической энергии и скорости турбулентной диссипации для определения турбулентной вихревой вязкости. Различные формы модели использовались в течение ряда десятилетий, и она стала наиболее широко используемой моделью для промышленного применения. В этой статье используется одна из форм модели k-ю (k-omega)-SST.
Химическая кинетика
Поверхностная химическая кинетика для каталитического окисления водорода над платиной [7] включает 5 поверхностных и 6 газообразных частиц для 13 реакций. Химическая кинетика газовой фазы при сжигании водорода в воздухе [8] включает 9 газообразных частиц для 19 реакций. Платиновый катализатор на основе оксида алюминия моделируется поликристаллическим платиновым слоем с поверхностной плотностью, принятой за S0 = 2,706х10-9 моль /см2 [7]. В частности, их комбинация позволяет адекватно оценить расстояние воспламенения внутри каталитического реактора для смесей H2 / O2 / N2 / H2O / CO2 при различных входных концентрациях водорода.
Результаты и обсуждение
Перед тем как проводить численные исследования по определению порога поджига была поведена «минимальная» верификация нашей модели, на основе данных эксперимента REKO-3. Расчеты выполнены для режимов течения с начальной температурой 298 К, начальной концентрацией водорода 4%, начальной скоростью 0,8 м/с.. На рисунке 2 показано распределение температуры вдоль поверхности каталитической пластины. Получено принципиальное согласие результатов расчетов с поведением температуры по экспериментальным данным. Но расчетная температура в среднем приблизительно на 20оС ниже экспериментальной. На фоне абсолютного значения температур полученное отклонение не является существенным и не должно сильно повлиять на скорость рекомбинации. Таким образом, модель с многошаговой реакции рекомбинации в рамках STAR CCM+ дает достаточно хорошее согласие с экспериментальными данных и будет использоваться для дальнейших расчетов.
у еоа -
о.оо 0.02 0.04 о.ое 0.08 0.10 0.12 0.14
Длина пластины (м)
Рисунок 2 - Температура на поверхности катализатора вдоль длинны пластины.
Рисунок 3 показан скорость рекомбинации на поверхности и в пространстве (объеме) между катализаторами. Как показали расчеты, наблюдается резкий рост объемной рекомбинации приблизительно не ранее, чем с 6 об.% водорода, то есть наличие горение в объеме. Рассчитанный предел воспламенения в газовой фазе ПКРВ без пара Xh2 от 6% соответствует экспериментальным данным для PAR типа AREVA [10]: Xh2 = 5,5% (H2PAR), 6%( MLLH2), 6,2% (THAI).
/ *
S 1.5x1o-4 -
£ и о
1.о>чо4 -
5.010 5 -
С(Н2) (%)
Рисунок 3 - Скорость рекомбинации водорода в зависимости от его концентрации
1000
С(Н,)(%)
Рисунок 4 - Максимальная температура катализатора
Максимальная температура катализатора (см. Рис. 4) подтверждает предыдущее наблюдение с линейной эволюцией для низких концентраций водорода. Воспламенение не оказывает существенного влияния на температуру катализатора, поскольку оно приводит к передаче энергии от катализатора к газу: водород все меньше и меньше превращается катализатором, но все больше и больше расходуется при сгорании в газовой фазе. Температура зажигания на поверхности катализатора при Сн2 = 7,5% сухих условиях оценивается до 898°С, что хорошо согласуется с экспериментальными измерениями внутри рекомбинаторов [9] и каталитических реакторов [4] Тэкп= 900 0 C :
Заключение
В работе утверждены экспериментальные результаты предела поджига рекомбинатора типа типа AREVA.Обнаружился поджига в промках платин при Xh2=6% и развитая объемная реакция при Xh2= 7,5%. Так как расчеты проводились с шагом 1%, то более точные значения возможно рассчитать при более мелком шаге, а сам процесс расчетов является численно довольно трудоемким.
Литература
1. N. Meynet & A. Bentaib, Numerical Study of Hydrogen Ignition by Passive Autocatalytic Recombiners, Nuclear Technology, 178 (1) (2012) 1-12
2. Braillard, O. Test of passive catalytic recombiners (PARs) for combustible gas control in nuclear power plants. Proc. 2nd International Topical Meeting on Advanced Reactor Safety (ARS). 1997. Vol. 97, pp. 541-548.
3. E.-A. Reinecke, A. Bentaib, S. Kelm , W. Jahn , N. Meynet , C. Caroli, Open issues in the applicability of recombiner experiments and modelling to reactor simulations, Progress in Nuclear Energy 52 (2010) 136-147.
4. Ernst-Arndt Reinecke, Stephan Kelm, Paul-Martin Steffen, Michael Klauck and Hans-Josef Allelein, Validation and Application of the REKO-DIREKT Code for the Simulation of Passive Autocatalytic Recombiner Operational Behavior, Nuclear Technology ,196 ,355-366, 2016.
5. Reinecke E.A., Boehm J., Drinovac P., Struth S., Tragsdorf I.M.,. "Modelling of catalytic recombiners: Comparison of REKO-DIREKT calculations with REKO-3 experiments," Proceedings of the International Conference "Nuclear Energy for New Europe 2005". Bled, Slovenia, September 5-8, 2005, pp.092.1-092.10 (2005).
6. Rozen, Modelling of a passive autocatalytic hydrogen recombiner a parametric study, NUKLEONIKA 2015, 60(1), 161-169.
7. Appel, C.; Mantzaras, J.; Schaeren, R.; Bombach, R.; Inauen, A.; Kaeppeli, B.; Bernd Hemmerling, B.; Stampanoni, A. An Experimental and Numerical Investigation of Homogeneous Ignition in Catalytically Stabilized Combustion of Hydrogen/Air Mixtures over Platinum. Combust. Flame. 2002, 28(4), 340-368.
8. "Chemical-Kinetic Mechanisms for Combustion Applications", San Diego Mechanism web page, Mechanical and Aerospace Engineering (Combustion Research), University of California at San Diego (http://combustion.ucsd.edu )
9. G. Poss, T. Kanzleiter, S. Gupta, G. Langrock, Experimental investigation of passive autocatalytic recombiner (PAR) units under accidental scenarios, in: Proceedings of 2nd International Topical Meeting on Safety and Technology of Nuclear Hydrogen Production, Control, and Management, American Nuclear Society, San Diego, 2010.
10. N. Meynet, A. Bentaib, Nucl. Technol. 178 (1) (2012) 1-12.
Numerical Simulation of Hydrogen Recombination in a Passive Catalytic
Hydrogen Recombiner Duong Quang Huong, Avdeenkov A.V
Obninsk Institute for Nuclear Power Engineering
JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90_
The main global trend in ensuring hydrogen explosion safety is the use of passive catalytic recombiners of the planet (PCR) with a protective frill (ZO) of the total free volume.
The purpose of the numerical studies carried out in this work is to substantiate the numerical criterion for the transition from flameless recombination on a catalyst to bulk combustion. Therefore, for a numerical evaluation, it is extremely necessary to use the recombination of the catalyst on the surface and in the bulk of the air-hydrogen mixture. The article contains the latest experimental results of the ignition limit of the AREVA type recombiner. Arson was found in the washes of platinum at XH2 = 6% and a developed volume note at XH2 = 7.5%. Keywords: recombinator, flameless recombination, chemical kinetics, ignition, multistep reaction. References
1. N. Meynet & A. Bentaib, Numerical Study of Hydrogen Ignition by Passive Autocatalytic Recombiners, Nuclear Technology, 178 (1) (2012) 1-12
2. Braillard, O. Test of passive catalytic recombiners (PARs) for combustible gas control in nuclear power plants. Proc. 2nd International Topical Meeting on Advanced Reactor Safety (ARS). 1997. Vol. 97, pp. 541-548.
3. E.-A. Reinecke, A. Bentaib, S. Kelm , W. Jahn , N. Meynet , C. Caroli, Open issues in the applicability of recombiner experiments and modelling to reactor simulations, Progress in Nuclear Energy 52 (2010) 136-147.
4. Ernst-Arndt Reinecke, Stephan Kelm, Paul-Martin Steffen, Michael Klauck and Hans-Josef Allelein, Validation and Application of the REKO-DIREKT Code for the Simulation of Passive Autocatalytic Recombiner Operational Behavior, Nuclear Technology ,196 ,355-366, 2016.
5. Reinecke E.A., Boehm J., Drinovac P., Struth S., Tragsdorf I.M.,. "Modelling of catalytic recombiners: Comparison of REKO-DIREKT calculations with REKO-3
X X
О
го А
с.
X
го m
о
to о to
M
experiments," Proceedings of the International Conference "Nuclear Energy for New Europe 2005". Bled, Slovenia, September 5-8, 2005, pp.092.1-092.10 (2005).
Rozen, Modelling of a passive autocatalytic hydrogen recombiner a parametric study, NUKLEONIKA 2015, 60(1), 161-169.
Appel, C.; Mantzaras, J.; Schaeren, R.; Bombach, R.; Inauen, A.; Kaeppeli, B.; Bernd Hemmerling, B.; Stampanoni, A. An Experimental and Numerical Investigation of Homogeneous Ignition in Catalytically Stabilized Combustion of Hydrogen/Air Mixtures over Platinum. Combust. Flame. 2002, 28(4), 340-368.
8. "Chemical-Kinetic Mechanisms for Combustion Applications", San Diego Mechanism web page, Mechanical and Aerospace Engineering (Combustion Research), University of California at San Diego (http://combustion.ucsd.edu )
9. G. Poss, T. Kanzleiter, S. Gupta, G. Langrock, Experimental investigation of passive autocatalytic recombiner (PAR) units under accidental scenarios, in: Proceedings of 2nd International Topical Meeting on Safety and Technology of Nuclear Hydrogen Production, Control, and Management, American Nuclear Society, San Diego, 2010.
10. N. Meynet, A. Bentaïb, Nucl. Technol. 178 (1) (2012) 1-12.
fO CN O
es
O m m x
<
m o x
X
