Χαρακτηρισμός της χημείας καύσης του υδρογόνου σε υψηλές πιέσεις

Λάιος, Γρηγόριος; Laios, Grigorios

dc.contributor.author	Λάιος, Γρηγόριος	el
dc.contributor.author	Laios, Grigorios	en
dc.date.accessioned	2024-12-10T12:15:16Z
dc.date.available	2024-12-10T12:15:16Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/60525
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.28221
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού - Παρόμοια Διανομή 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/gr/	*
dc.subject	Χημική κινητική	el
dc.subject	Καύση υδρογόνου	el
dc.subject	Προσομοίωση καύσης	el
dc.subject	Υψηλή πίεση	el
dc.subject	Υπερκρίσιμο CO2 (sCO2)	el
dc.title	Χαρακτηρισμός της χημείας καύσης του υδρογόνου σε υψηλές πιέσεις	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Χημική Κινητική και Καύση	el
heal.classification	Θερμοδυναμική και Μεταφορά Θερμότητας	el
heal.classification	Ενεργειακές Τεχνολογίες	el
heal.classification	Υπερκρίσιμα Ρευστά	el
heal.classification	Προσομοιώσεις και Μοντέλα Καύσης	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-06-28
heal.abstract	Στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε ενδελεχής μελέτη της καύσης υδρογόνου σε υπερκρίσιμες συνθήκες διοξειδίου του ανθρακα (sCO2). Η μελέτη εκπονήθηκε με βάση τα ακόλουθα βήματα: 1. Συλλογή αξιόπιστων μηχανισμών μειωμένης τάξης για καύση υδρογόνου (H2) με βάση την παγκόσμια βιβλιογραφία. 2. Αξιολόγηση των μηχανισμών μειωμένης τάξης έναντι πειραματικών δεδομένων που αφορούν σε: (i) χρόνους καθυστέρησης έναυσης (IDTs) μειγμάτων Η2 από σωλήνες κρούσης (Shock tubes), (ii) Προφίλ μοριακών κλασμάτων συναρτήσει της θερμοκρασίας (Speciation data) που προέρχονται από αντιδραστήρες πλήρους ανάδευσης (JSRs), (iii) Προφίλ μοριακών κλασμάτων συναρτήσει της θερμοκρασίας (Speciation data) που προέρχονται από αντιδραστήρες ροής (PFRs), και (iv) ταχύτητες διάδοσης φλογών προανάμιξης (Laminar Flame Speeds - LFS) για ένα σύνολο συνθηκών αναφοράς. Ο μηχανισμός μειωμένης τάξης CRECK-2012 (v_1212) αναπαρήγαγε το σύνολο των πειραματικών δεδομένων με αρκετά καλή ακρίβεια, και όντας ο κατατά το δυνατό μικρότερος (14 χημικές ενώσεις, 33 αντιδράσεις), επιλέχθηκε για τους περαιτέρω υπολογισμούς της παρούσας έρευνας. 3. Διερεύνηση της καύσης Η2 σε περιβάλλον sCO2 σε ένα μεγάλο εύρος μεταβολής των χαρακτηριστικών λειτουργίας πρακτικών εφαρμογών, όπως είναι οι αεριοστρόβιλοι και οι ναυτικοί κινητήρες, που περιλαμβάνει: (i) στοιχειομετρία (φτωχά, στοιχειομετρικά και πλούσια μείγματα), και (ii) συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Η διερεύνηση πραγματοποιήθηκε για: (α) IDTs, (β) καύση σε συνθήκες αντιδραστήρα τέλειας ανάμιξης (Perfectly Stirred Reactor conditions – PSR conditions), και (γ) καύση στρωτής φλόγας προανάμιξης με έμφαση στην ταχύτητα διάδοσης στρωτής φλόγας προανάμιξης (LFS). Στη μέλετη συμπεριλήφθηκαν και τα αντίστοιχα αποτελέσματα σε περιβάλλον αζώτου, για σύγκριση. 4. Μελέτη της διαφοροποίησης της καύσης υδρογόνου σε περιβάλλονν sCO2 και Ν2 με βάση τον προσδιορισμό των βασικών χημικών οδών (chemical pathways μέσω της ανάλυσης ρυθμού παραγωγής. Πιο αναλυτικά, το πρώτο στάδιο της παρούσας μελέτης, εστιάζει στην ανασκόπηση της βιβλιογραφίας μέσα από μια βάση δεδομένων διαφόρων ιδρυμάτων που έχουν αναπτύξει κατάλληλους μηχανισμούς χημικής κινητικής. Κατόπιν, γίνεται η επιλογή τριών μηχανισμών μειωμένης τάξης (περίπου 20~50 αντιδράσεις), προκειμένου το υπολογιστικό κόστος των προσομοιώσεων να είναι μικρό. Στη συνέχεια, ακολουθεί η διαδικασία της αξιολόγησης ώστε να επιλεχθεί εκείνος ο μηχανισμός που να αναπαράγει το σύνολο των πειραματικών δεδομένων με μεγαλύτερη ακρίβεια. Εδώ, στη διαδικασία της αξιολόγησης πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις για τα ακόλουθα πρότυπα προβλήματα: (α) ανάφλεξη ομογενούς μείγματος - χρόνοι καθυστέρηση έναυσης, (β) καύση σε συνθήκες PSR, (γ) καύση σε αντιδραστήρα ροής (Plug Flow Reactor - PFR), και (δ) ταχύτητα διάδοσξς στρωτής φλόγας προανάμιξης. Οι προσομοιώσεις έγιναν με χρήση του λογισμικού ANSYS CHEMKIN-PRO. Το δεύτερο στάδιο της παρούσας μελέτης αφορά στην καύση του υδρογόνου με βάση τον μηχανισμό που επιλέχθηκε σε υπερ-κρίσιμες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας με την παρουσία διοξειδίου του άνθρακα (CO2), στην αρχική σύσταση του μείγματος. Πρόκειται, ουσιαστικά για μια κατάσταση στην οποία δεν μπορεί να διακριθεί η υγρή από την αέρια φάση και έτσι το μείγμα περνά σε μια επονομαζόμενη κατάσταση υπερ-κρίσιμου ρευστού. Σκοπός είναι να μελετηθεί η καύση υδρογόνου στις συνθήκες αυτές. Επίσης, πραγματοποιείται και σύγκριση μεταξύ της καύσης Η2 σε περιβάλλον sCO2 και Ν2, ώστε να διαπιστωθούν οι βασικές διαφοροποιήσεις σε ένα θεμελιώδες επίπεδο που κατ’ επέκταση θα εφοδιάσει την επιστημονική κοινότητα με σημαντικά αποτελέσματα-συμπεράσματα για την εφαρμογή τους σε πρακτικές εφαρμογές. Ορισμένα από αυτά τα συμπεράσματα είναι, (i) υψηλότεροι χρόνοι καθυστέρησης έναυσης καύσης για την περίπτωση υπερκρίσιμων συνθηκών sCO2 συγκριτικά με την περίπτωση της "συμβατικής" καύσης σε περιβάλλον N2, (ii) σε συνθήκες PSR για πλούσιο μείγμα (φ=2.0), πλήρης κατανάλωση του καυσίμου Η2 σε περιβάλλον sCO2, σε αντίθεση με την περίπτωση της "συμβατικής" καύσης σε περιβάλλον N2, όπου υπάρχει μερική κατανάλωση καυσίμου (περίπου 50% για όλο το θερμοκρασιακό εύρος που εξετάστηκε Τ=1300 – 1800 Κ), (iii) στη στρωτή φλόγα προανάμιξης, παρατηρούνται υψηλότερες ταχύτητες διάδοσης της φλόγας σε περιβάλλον Ν2, σε σχέση με την καύση σε συνθήκες sCO2. Στο τελευταίο στάδιο, πραγματοποιήθηκε χημική ανάλυση μέσω του ρυθμού παραγωγής και κατανάλωσης των χημικών ενώσεων. Η συγκεκριμένη μεθοδολογία εξηγεί τη διαδικασία της καύσης, με βάση τις χημικές οδούς (chemical pathways), και είναι το επιστημονικό υπόβαθρο που χρησιμοποιείται ευρέως για να καταγραφεί και να ποσοτικοποιηθεί η χημική δραστηριότητα. Μετά το πέρας της χημικής ανάλυσης, εξάγονται τα εξής συμπέρασματα τα οποία μπορούν να συνοψιστούν ως εξής: (i) σχετικά με το πρόβλημα της έναυσης για φτωχό μείγμα (φ=0.5) και συνθήκες P=220 atm, T=1500 K, όπως αναδείχθηκε μέσα από την ανάλυση σε μια πρωθύστερη χρονική στιγμή η αντίδραση (R19), CO+OH=CO2+H επιβραδύνει την έναυση στην περίπτωση υπερκρίσιμων συνθηκών sCO2, λόγω κατανάλωσης των ριζών H, η οποία οδηγεί στη μείωση των ριζών ΟΗ (ii) για καύση σε συνθήκες PSR, το ίδιο το CO2 δρα σαν καταλύτης και βοηθά στον αυξημένο ρυθμό κατανάλωσης του Η2 μέσω της αντίδρασης (R22), CO+H2O=CO2+H2, ενώ σε συμβατικό περιβάλλον καύσης Ν2 η αντίδραση (R29), H+H2O=H2+OH καταναλώνει το καύσιμο (Η2) κατά το ήμιση σε όλο το θερμοκρασιακό εύρος που εξετάστηκε (Τ=1300 – 1800 Κ), (iii) για την περίπτωση της στρωτής φλόγας προανάμιξης σε συνθήκες Τu=750 K, φ=0.5, η αντίδραση (R14), 2OH(+M)=H2O2(+M) λόγω του υψηλότερου ρυθμού παραγωγής Η2Ο2, σε συμβατικό περιβάλλον καύσης Ν2, οδηγεί σε αυξημένη παραγωγή ρίζας υδροξυλίου ΟΗ και άρα σε ταχύτερη εξέλιξη του φαινομένου μέσω της (R29) H+H2O=H2+OH. Αντίθετα, στην περίπτωση καύσης σε συνθήκες sCO2, η αντίδραση (R22) CO+H2O=CO2+H2 επιβραδύνει το φαινόμενο, (iv) για την περίπτωση της στρωτής φλόγας προανάμιξης σε συνθήκες Τu=1600 K, φ=0.5, η αντίδραση (R8), 2OH=O+H2O λόγω του υψηλότερου ρυθμού παραγωγής O, σε συμβατικό περιβάλλον καύσης Ν2, οδηγεί σε αυξημένη παραγωγή ρίζας υδροξυλίου ΟΗ και άρα σε ταχύτερη εξέλιξη του φαινομένου μέσω της (R29) H+H2O=H2+OH. Για την περίπτωση καύσης σε συνθήκες sCO2, η αντίδραση (R22) CO+H2O=CO2+H2 επιβραδύνει το φαινόμενο, ομοίως όπως παρατηρήθηκε για τις συνθήκες Τu=750 K, φ=0.5, και (v) για την περίπτωση της στρωτής φλόγας προανάμιξης σε συνθήκες Τu=1600 K, φ=2.0, η αντίδραση (R6), H+HO2=2OH λόγω του υψηλότερου ρυθμού παραγωγής HO2, σε συμβατικό περιβάλλον καύσης Ν2, οδηγεί σε αυξημένη παραγωγή ρίζας υδροξυλίου ΟΗ, και άρα σε ταχύτερη εξέλιξη του φαινομένου μέσω της (R29) H+H2O=H2+OH. Για την περίπτωση καύσης σε συνθήκες sCO2 η αντίδραση (R22) CO+H2O=CO2+H2 επιβραδύνει το φαινόμενο, ομοίως όπως παρατηρήθηκε στις δύο παραπάνω περιπτώσεις (Τu=750, 1600 K, φ=0.5). Τέλος, η διπλωματική εργασία συνοδεύεται από προτάσεις επί της συνολικής μελέτης και από το παράρτημα, στο οποίο παρουσιάζεται ένα μεγάλο μέρος των προσομοιώσεων που πραγματοποιήθηκαν.	el
heal.advisorName	Καϊκτσής, Λάμπρος	el
heal.committeeMemberName	Δημόπουλος, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Βεντίκος, Νικόλαος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ναυτικής Μηχανολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	130 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false