RU2268508C2 - Working member of a catalytic burner of hydrogen - Google Patents
Working member of a catalytic burner of hydrogen Download PDFInfo
- Publication number
- RU2268508C2 RU2268508C2 RU2003138045/06A RU2003138045A RU2268508C2 RU 2268508 C2 RU2268508 C2 RU 2268508C2 RU 2003138045/06 A RU2003138045/06 A RU 2003138045/06A RU 2003138045 A RU2003138045 A RU 2003138045A RU 2268508 C2 RU2268508 C2 RU 2268508C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hydrogen
- catalytic
- burner
- air mixture
- temperature
- Prior art date
Links
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 50
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 50
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 45
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 title claims abstract description 41
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 38
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 4
- 238000007084 catalytic combustion reaction Methods 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000002265 prevention Effects 0.000 abstract 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 15
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 11
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 9
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 8
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 description 7
- 241000282326 Felis catus Species 0.000 description 5
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 5
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 2
- 239000010755 BS 2869 Class G Substances 0.000 description 1
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052762 osmium Inorganic materials 0.000 description 1
- SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N osmium atom Chemical compound [Os] SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 description 1
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Gas Burners (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области обеспечения безопасности атомных электростанций (АЭС), в частности к системам беспламенного сжигания водорода, поступающего в объем помещений и защитной оболочки АЭС, как при нормальной работе станции, так и в аварийных условиях.The invention relates to the field of ensuring the safety of nuclear power plants (NPPs), in particular to systems of flameless combustion of hydrogen entering the volume of rooms and the protective shell of nuclear power plants, both during normal operation of the station and in emergency conditions.
Известен каталитический сжигатель водорода, представляющий собой блок размером 100×100×85 мм или 70×140×85 мм, содержащий набор цилиндрических ячеек диаметром 20 мм, внутри которых располагаются рабочие элементы - каталитические стержни диаметром 5,8 мм и длиной 63 мм, выполненные из катализатора - платиновой черни (см. ШЕБЕКО Ю.Н. и др. «Исследование беспламенного горения водорода на поверхности гидрофобизированного катализатора», Физика горения и взрыва, 1995, т.31, №5, с.37-43).Known catalytic hydrogen burner, which is a block of size 100 × 100 × 85 mm or 70 × 140 × 85 mm, containing a set of cylindrical cells with a diameter of 20 mm, inside of which there are working elements - catalytic rods with a diameter of 5.8 mm and a length of 63 mm, made from the catalyst - platinum mobile (see Shebeko Yu.N. et al. “Study of flameless combustion of hydrogen on the surface of a hydrophobized catalyst”, Combustion and Explosion Physics, 1995, v.31, No. 5, pp. 37-43).
Недостатком известного каталитического сжигателя водорода с указанными рабочими элементами является то, что при определенном расходе гремучего газа (более 4940 и 2000 мл/мин для указанных выше размеров блока и количества стержней, равном 19 и 32 штук. При расчете на один каталитический стержень указанные значения критического расхода гремучего газа составляют 260 и 62,5 мл/мин) поверхность катализатора разогревается до температуры, достаточной для зажигания газовой смеси с образованием пламени, переходящего во взрыв. Причем из-за того, что в защитной оболочке АЭС в случае тяжелой аварии с потерей теплоносителя может выделиться 102-103 кг водорода. Последствия такого взрыва с разрушением контейнмента могут быть катастрофическими.A disadvantage of the known catalytic hydrogen burner with the indicated working elements is that at a certain consumption of explosive gas (more than 4940 and 2000 ml / min for the above block sizes and the number of rods equal to 19 and 32 pieces. When calculated per one catalytic rod, the indicated critical values the consumption of detonating gas is 260 and 62.5 ml / min) the surface of the catalyst is heated to a temperature sufficient to ignite the gas mixture with the formation of a flame, turning into an explosion. Moreover, due to the fact that in the case of a severe accident with loss of coolant 10 2 -10 3 kg of hydrogen can be released in the protective shell of the nuclear power plant. The consequences of such an explosion with the destruction of containment can be disastrous.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является каталитический сжигатель водорода, в котором рабочие элементы выполнены в виде длинномерных объектов, изготовленных из материала катализатора (см. Авторское свидетельство №1779191, кл. G 21 С 9/04, опубл. 27.07.1996). В качестве такого материала могут быть использованы следующие металлы: платина, палладий, осмий, иридий, рутений, родий (см. ДОРФМАН Я.А. «Катализаторы и механизм гидрирования и окисления», Алма-Ата, «Наука», 1984, с.144-145).The closest in technical essence to the claimed invention is a catalytic hydrogen burner, in which the working elements are made in the form of long objects made of catalyst material (see Copyright certificate No. 1779191, class G 21 C 9/04, publ. 07.27.1996) . The following metals can be used as such material: platinum, palladium, osmium, iridium, ruthenium, rhodium (see DORFMAN, Y. A. "Catalysts and the mechanism of hydrogenation and oxidation", Alma-Ata, "Science", 1984, p. 144-145).
Недостатком этого известного каталитического сжигателя водорода, содержащего рабочие элементы в виде длинномерных объектов, является то, что при обычных величинах поперечного размера длинномерных объектов, составляющих порядка одного и более миллиметров, существует значительная вероятность возникновения пламенного горения и взрыва водородовоздушной смеси в процессе работы каталитического сжигателя водорода из-за возможности саморазогрева рабочего элемента катализатора до температуры взрывного самовоспламенения водорода в воздухе Т*заж, которая для водородовоздушной смеси составляет 850 К (577°С) (см. Химическая энциклопедия, Москва, Советская энциклопедия, 1988, т.1, с.402).The disadvantage of this known catalytic hydrogen burner containing working elements in the form of long objects is that, with the usual values of the transverse size of long objects of the order of one or more millimeters, there is a significant likelihood of flame combustion and explosion of the hydrogen-air mixture during the operation of the catalytic hydrogen burner due to the possibility of self-heating of the working element of the catalyst to the temperature of explosive self-ignition of hydrogen in air T * xe RTA, which for hydrogen-air mixture is 850 K (577 ° C) (see. Chemical Encyclopedia, Moscow, Soviet Encyclopedia, 1988, v.1, s.402).
Задача изобретения заключается в снижении вероятности возникновения пламенного горения и взрыва водородовоздушной смеси при работе каталитического сжигателя водорода за счет повышения температурного порога возникновения пламенного горения водорода в воздухе в зоне рабочего элемента каталитического сжигателя водорода.The objective of the invention is to reduce the likelihood of flame combustion and explosion of a hydrogen-air mixture during the operation of a catalytic hydrogen burner by increasing the temperature threshold for the occurrence of flame combustion of hydrogen in air in the area of the working element of a catalytic hydrogen burner.
Технический результат заключается в повышении безопасности атомных станций при использовании в помещениях каталитических сжигателей водорода, делая их существенно более безопасными с точки зрения самопроизвольного воспламенения и взрыва водородовоздушной смеси в процессе работы каталитического сжигателя водорода.The technical result is to increase the safety of nuclear power plants when using catalytic hydrogen burners in rooms, making them significantly safer from the point of view of spontaneous ignition and explosion of a hydrogen-air mixture during the operation of a catalytic hydrogen burner.
Задача решается за счет того, что известный рабочий элемент каталитического сжигателя водорода, выполненный в виде длинномерного объекта (проволоки, ленты и т.п.) произвольной длины из материала, обеспечивающего беспламенное каталитическое сжигание водорода, согласно изобретению имеет поперечный размер много меньше 103 мкм, определяемый, в частности, из соотношенияThe problem is solved due to the fact that the known working element of a catalytic hydrogen burner, made in the form of a long object (wire, tape, etc.) of arbitrary length from a material providing flameless catalytic combustion of hydrogen, according to the invention has a transverse dimension much less than 10 3 μm determined, in particular, from the relation
где d - поперечный размер длинномерного объекта, выраженный в микрометрах; n - коэффициент запаса, показывающий, во сколько раз повышается минимальная температура зажигания водородовоздушной смеси (выражается в Кельвинах) при использовании длинномерного объекта, имеющего поперечный размер, равный d, выраженный в микрометрах.where d is the transverse dimension of a long object, expressed in micrometers; n is the safety factor, showing how many times the minimum ignition temperature of the hydrogen-air mixture rises (expressed in Kelvin) when using a long object with a transverse dimension equal to d, expressed in micrometers.
Данное техническое решение основано на том, что переход в пламенное горение горючей газовой смеси возможен только при условии разогрева определенного минимального слоя этой газовой смеси до температуры, превышающей минимальную температуру ее воспламенения. Поэтому для перехода в пламенное горение температура нагретого тела - воспламенителя, находящегося в контакте с горючей газовой смесью, должна быть несколько выше температуры воспламенения газовой смеси, а при малых размерах воспламенителя превышение его температуры над температурой воспламенения должно быть уже существенным. Если нагретое тело выполнено в виде протяженного объекта с поперечным размером d, то уменьшение этого размера ниже определенного значения dкр (для водородовоздушной смеси dкр≈103 мкм) приводит к существенному ухудшению условий зажигания газовой смеси и перехода в пламенное горение, т.к. требуется более высокая температура нагретого тела - воспламенителя. Причем чем меньше размер d, тем выше требуется температура нагретого тела. Для водородовоздушной смеси существенное ухудшение условий воспламенения обеспечивается при d≪103 мкм, делая рабочий элемент каталитического сжигателя водорода с таким поперечным размером существенно более безопасным. Экспериментально установлено, что в диапазоне поперечных размеров (диаметра) длинномерного воспламенителя от нескольких микрометров до ~103 мкм существует определенная зависимость минимальной температуры зажигания водородовоздушной смеси от поперечного размера длинномерного нагретого тела - воспламенителя (при величине диаметра длинномерного нагретого тела воспламенителя более ~103 мкм минимальная температура зажигания водородовоздушной смеси уже не зависит от диаметра и остается постоянной величиной, равной 850К (577°C)), показывающая, что при уменьшении поперечного размера (диаметра d) воспламенителя до значения много меньше 103 мкм резко возрастает минимальная температура зажигания Тзаж водородовоздушной смеси (фиг.1). При этом длина длинномерного нагретого тела значения не имеет. Это позволяет, сделав поперечный размер рабочего элемента каталитического сжигателя водорода много меньше 103 мкм (при произвольной длине этого рабочего элемента), поднять величину минимальной температуры зажигания водородовоздушной смеси в n раз, где коэффициент n определяется по соотношению (1), обеспечив тем самым существенное повышение безопасности атомных станций, в которых используются каталитические сжигатели водорода, с точки зрения вероятности самопроизвольного воспламенения и взрыва водородовоздушной смеси в процессе работы каталитического сжигателя водорода.This technical solution is based on the fact that the transition to flame combustion of a combustible gas mixture is possible only if a certain minimum layer of this gas mixture is heated to a temperature exceeding the minimum ignition temperature. Therefore, for the transition to flame combustion, the temperature of the heated body - the igniter in contact with the combustible gas mixture should be slightly higher than the ignition temperature of the gas mixture, and at small sizes of the ignitor the excess of its temperature over the ignition temperature should already be significant. If the heated body is made in the form of an extended object with a transverse dimension d, then a decrease in this size below a certain value d cr (for a hydrogen-air mixture d cr ≈10 3 μm) leads to a significant deterioration in the conditions of ignition of the gas mixture and the transition to flame combustion, because . A higher temperature of the heated igniter body is required. Moreover, the smaller the size d, the higher the temperature of the heated body. For a hydrogen-air mixture, a significant deterioration in the ignition conditions is ensured at d 310 3 μm, making the working element of a catalytic hydrogen burner with such a transverse dimension substantially safer. It was experimentally established that in the range of transverse dimensions (diameter) of a long igniter from several micrometers to ~ 10 3 μm, there is a certain dependence of the minimum ignition temperature of a hydrogen-air mixture on the transverse size of a long heated body - igniter (with a diameter of a long heated ignitor body exceeding ~ 10 3 μm the minimum ignition temperature of the hydrogen-air mixture no longer depends on the diameter and remains constant at 850K (577 ° C)), showing that when reducing the transverse size (diameter d) of the igniter to a value much less than 10 3 μm, the minimum ignition temperature T zh of the hydrogen- air mixture sharply increases (Fig. 1). In this case, the length of the long heated body does not matter. This allows, having made the transverse dimension of the working element of the catalytic hydrogen burner much less than 10 3 μm (for an arbitrary length of this working element), to increase the value of the minimum ignition temperature of the hydrogen-air mixture n times, where the coefficient n is determined by relation (1), thereby ensuring a significant improving the safety of nuclear plants that use catalytic hydrogen burners, in terms of the probability of spontaneous ignition and explosion of a hydrogen-air mixture during operation catalytic hydrogen burner.
Рабочий элемент каталитического сжигателя водорода повышенной безопасности представляет собой длинномерный объект (проволоку, ленту и т.д.) произвольной длины, выполненный из платины, палладия или другого материала, обеспечивающего беспламенное каталитическое сжигание водорода, причем поперечный размер этого длинномерного объекта (диаметр проволоки, ширина ленты и т.д.) составляет много меньше 103 мкм и не превышает, по крайней мере, величины d, определяемой по соотношению (1) для заданного коэффициента n.The working element of a high-security catalytic hydrogen burner is a long object (wire, tape, etc.) of arbitrary length made of platinum, palladium or other material that provides flameless catalytic combustion of hydrogen, and the transverse dimension of this long object (wire diameter, width tape, etc.) is much less than 10 3 μm and does not exceed at least the value of d determined by relation (1) for a given coefficient n.
На фиг.1 и 2 показана зависимость минимальной температуры зажигания водородовоздушной смеси, находящейся при комнатной температуре и атмосферном давлении, от диаметра проволочного воспламенителя при линейном и логарифмическом масштабе координаты d соответственно. Здесь использованы следующие обозначения:Figures 1 and 2 show the dependence of the minimum ignition temperature of a hydrogen-air mixture at room temperature and atmospheric pressure on the diameter of a wire igniter with a linear and logarithmic coordinate scale d, respectively. The following notation is used here:
Тзаж - минимальная температура зажигания водородовоздушной смеси нагретой проволокой диаметром менее одного миллиметра;T zh - the minimum ignition temperature of the hydrogen- air mixture with a heated wire with a diameter of less than one millimeter;
Т*заж - минимальная температура зажигания водородовоздушной смеси нагретой проволокой (или стержнем) при поперечном размере (диаметре) проволоки (или стержня) более одного миллиметра;T * zh - the minimum ignition temperature of the hydrogen- air mixture with a heated wire (or rod) with a transverse size (diameter) of the wire (or rod) of more than one millimeter;
d - диаметр проволоки;d is the diameter of the wire;
lg(d[мкм]) - десятичный логарифм диаметра проволоки, выраженного в микрометрах.lg (d [μm]) is the decimal logarithm of the diameter of the wire, expressed in micrometers.
При работе каталитического сжигателя водорода, находящегося в атмосфере водородовоздушной смеси, на его поверхности протекает экзотермическая реакция окисления (сгорания) водорода:When a catalytic hydrogen burner is in the atmosphere of a hydrogen-air mixture, an exothermic oxidation (combustion) reaction of hydrogen proceeds on its surface:
2H2+О2→2H2О+Q↑, (2)2H 2 + O 2 → 2H 2 O + Q ↑, (2)
где Q=230 кДж/моль.where Q = 230 kJ / mol.
При этом происходит самопроизвольный разогрев поверхности катализатора до некоторой квазиравновесной температуры Ткат, которая не является постоянной величиной, а изменяется по мере изменения внешних и внутренних факторов. К этим факторам можно отнести скорость поступления водородовоздушной смеси к поверхности катализатора, скорость каталитической реакции (2), наличие газовых и парообразных примесей в водородовоздушной смеси и т.д. В результате действия этих во многом неопределенных и непредсказуемых факторов значение Ткат в процессе работы каталитического сжигателя водорода может значительно изменяться, в том числе и увеличиваться, приближаясь в процессе своего роста к опасному значению минимальной температуры зажигания Т*заж водородовоздушной смеси, равному 850К.In this case, the catalyst surface spontaneously heats up to a certain quasi-equilibrium temperature T cat , which is not a constant value, but changes as external and internal factors change. These factors include the rate of arrival of the hydrogen-air mixture to the surface of the catalyst, the rate of the catalytic reaction (2), the presence of gas and vapor impurities in the hydrogen-air mixture, etc. As a result of these largely uncertain and unpredictable factors, the T cat value during the operation of the catalytic hydrogen burner can vary significantly, including increase, approaching in the process of its growth to the dangerous value of the minimum ignition temperature T * of the hydrogen- air mixture equal to 850K.
При приближении температуры разогрева поверхности катализатора Ткат к уровню минимальной температуры зажигания водородовоздушной смеси Т*заж=50К в условиях работы обычного рабочего элемента каталитического сжигателя водорода, имеющего поперечный размер порядка 103 мкм и более, резко возрастает вероятность перехода беспламенного сгорания водорода в пламенное сгорание, сопровождающееся взрывом.When the temperature of the catalyst surface heating T cat approaches the level of the minimum ignition temperature of the hydrogen- air mixture T * zhz = 50 K under the conditions of operation of a usual working element of a catalytic hydrogen burner having a transverse size of the order of 10 3 μm or more, the probability of transition of flameless hydrogen combustion to flame combustion increases accompanied by an explosion.
При приближении температуры разогрева поверхности катализатора Ткат к уровню температуры 850К в условиях работы заявляемого рабочего элемента каталитического сжигателя водорода, имеющего поперечный размер много меньше 103 мкм, вероятность перехода беспламенного сгорания водорода в пламенное сгорание и во взрыв будет существенно ниже, так как значение минимальной температуры зажигания водородовоздушной смеси при поперечном размере рабочего элемента d, много меньшем 10 мкм, определяемом по соотношению (1), будет существенно (в n раз) выше, чем для обычного рабочего элемента каталитического сжигателя водорода. Причем с уменьшением поперечного размера рабочего элемента безопасность каталитического сжигателя водорода увеличивается. Так, при поперечном размере рабочего элемента каталитического сжигателя водорода, равном 40 мкм, запас по минимальной температуре зажигания водородовоздушной смеси по сравнению с обычным рабочим элементом каталитического сжигателя водорода составит величину n, равную 1,5; при поперечном размере 10 мкм величина n увеличивается до 2 (см. фиг.2). А при поперечном размере рабочего элемента менее 2 мкм запас по минимальной температуре зажигания водородовоздушной смеси (величина n) будет составлять уже более трех (см. фиг.2), делая каталитический сжигатель водорода с таким рабочим элементом практически абсолютно безопасным, так как разогрев поверхности катализатора до температуры Ткат выше 2550К (т.е. отвечающей запасу, равному трем) просто невозможен. Это связано с тем, что даже адиабатическая температура сгорания наиболее калорийной, стехиометрической водородовоздушной смеси не превышает 2550К, не говоря уже о температуре достаточно медленного каталитического окисления водорода, которая будет значительной ниже из-за наличия теплопотерь в окружающую среду.When approaching the temperature of the heating surface of the catalyst T cat to a temperature of 850K under the operating conditions of the inventive working element of a catalytic hydrogen burner having a transverse dimension much less than 10 3 μm, the probability of transition of flameless hydrogen combustion to flame combustion and explosion will be significantly lower, since the minimum the ignition temperature of the hydrogen-air mixture with a transverse size of the working element d, much less than 10 microns, determined by the relation (1), will be significantly (n times) higher, it for normal operation member catalytic combustor hydrogen. Moreover, with a decrease in the transverse size of the working element, the safety of the catalytic hydrogen burner increases. So, with the transverse size of the working element of the catalytic hydrogen burner equal to 40 microns, the margin of the minimum ignition temperature of the hydrogen-air mixture in comparison with the usual working element of the catalytic hydrogen burner will be n equal to 1.5; with a transverse size of 10 μm, the value of n increases to 2 (see figure 2). And when the transverse size of the working element is less than 2 μm, the margin for the minimum ignition temperature of the hydrogen-air mixture (n value) will already be more than three (see figure 2), making the catalytic hydrogen burner with such a working element almost completely safe, since heating the catalyst surface to a temperature T cat above 2550K (i.e., corresponding to a margin of three) is simply not possible. This is due to the fact that even the adiabatic combustion temperature of the most high-calorie, stoichiometric hydrogen-air mixture does not exceed 2550K, not to mention the temperature of a rather slow catalytic oxidation of hydrogen, which will be significantly lower due to the presence of heat loss to the environment.
Была изготовлена и испытана тепловая модель заявляемого рабочего элемента каталитического сжигателя водорода. Проволочный рабочий элемент каталитического сжигателя моделировали нихромовой проволочкой диаметром 10 мкм и длиной 15 мм. Нагрев модели рабочего элемента каталитического сжигателя при его работе в водородовоздушной смеси моделировали пропусканием через нихромовую проволочку постоянного электрического тока. Нихромовая проволочка находилась в атмосфере стехиометрической водородовоздушной смеси (30% об. водорода + 70% об. воздуха) при давлении 1 атм. При пропускании по нихромовой проволочке электрического тока величиной 0,085 А ни в одном из трех проведенных опытах водородовоздушная смесь не загорелась, хотя температура нихромовой проволочки при этом достигала ~1450К. Температуру нагрева нихромовой проволочки определяли по результатам предварительного измерения тока перегорания (расплавления) этой проволочки в инертной газовой смеси (30 об.% водорода + 70 об.% азота) при давлении 1 атм. Проволочка перегорает (т.е. достигается температура плавления нихрома, равная 1673К) при токе 0,098А. Учитывая, что температура нагрева проволочки, как показали эксперименты, прямо пропорциональна величине пропускаемого по ней электрического тока, легко определить температуру нагрева проволочки при токе 0,085 А, которая оказалась равной ~ 1450К.Was made and tested a thermal model of the inventive working element of a catalytic hydrogen burner. The wire working element of the catalytic burner was modeled by a nichrome wire with a diameter of 10 μm and a length of 15 mm. The heating of the model of the working element of the catalytic burner during its operation in a hydrogen-air mixture was simulated by passing a direct electric current through a nichrome wire. The nichrome wire was in the atmosphere of a stoichiometric hydrogen-air mixture (30% vol. Hydrogen + 70% vol. Air) at a pressure of 1 atm. When an electric current of 0.085 A was passed through a nichrome wire, in none of the three experiments carried out did the hydrogen-air mixture catch fire, although the temperature of the nichrome wire reached ~ 1450 K. The heating temperature of the nichrome wire was determined by the preliminary measurement of the burnout (melting) current of this wire in an inert gas mixture (30 vol.% Hydrogen + 70 vol.% Nitrogen) at a pressure of 1 atm. The wire burns out (i.e., the melting temperature of nichrome is reached, equal to 1673K) at a current of 0.098A. Considering that the heating temperature of the wire, as shown by experiments, is directly proportional to the amount of electric current passed through it, it is easy to determine the heating temperature of the wire at a current of 0.085 A, which turned out to be ~ 1450 K.
Таким образом, испытанная тепловая модель заявляемого рабочего элемента каталитического сжигателя водорода показывает, что при величине его характерного поперечного размера (в данном случае - диаметра проволоки), равного 10 мкм, нагрев рабочего элемента до температуры, почти в полтора раза превышающей справочное значение минимальной температуры зажигания водородовоздушной смеси (850К), не приводит к загоранию водородовоздушной смеси, обеспечивая тем самым повышенную безопасность при работе заявляемого рабочего элемента каталитического сжигателя водорода.Thus, the tested thermal model of the inventive working element of a catalytic hydrogen burner shows that when its characteristic transverse size (in this case, the wire diameter) is 10 μm, the working element is heated to a temperature almost one and a half times higher than the reference value of the minimum ignition temperature hydrogen-air mixture (850K), does not lead to ignition of the hydrogen-air mixture, thereby providing increased safety during operation of the inventive catalytic working element hydrogen combustor.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003138045/06A RU2268508C2 (en) | 2003-12-29 | 2003-12-29 | Working member of a catalytic burner of hydrogen |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003138045/06A RU2268508C2 (en) | 2003-12-29 | 2003-12-29 | Working member of a catalytic burner of hydrogen |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2003138045A RU2003138045A (en) | 2005-06-10 |
| RU2268508C2 true RU2268508C2 (en) | 2006-01-20 |
Family
ID=35834032
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003138045/06A RU2268508C2 (en) | 2003-12-29 | 2003-12-29 | Working member of a catalytic burner of hydrogen |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2268508C2 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5473646A (en) * | 1990-05-11 | 1995-12-05 | Siemens Aktiengesellschaft | Device for the recombination of hydrogen and oxygen and nuclear power plant using the device |
| SU1779191A1 (en) * | 1990-01-31 | 1996-07-27 | Всесоюзный Теплотехнический Научно-Исследовательский Институт Им.Ф.Э.Дзержинского | Catalytic passive hydrogen burner |
| WO2001031657A1 (en) * | 1999-10-26 | 2001-05-03 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Device for the removal of hydrogen from gas mixtures flowing through pipes pipes |
-
2003
- 2003-12-29 RU RU2003138045/06A patent/RU2268508C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1779191A1 (en) * | 1990-01-31 | 1996-07-27 | Всесоюзный Теплотехнический Научно-Исследовательский Институт Им.Ф.Э.Дзержинского | Catalytic passive hydrogen burner |
| US5473646A (en) * | 1990-05-11 | 1995-12-05 | Siemens Aktiengesellschaft | Device for the recombination of hydrogen and oxygen and nuclear power plant using the device |
| WO2001031657A1 (en) * | 1999-10-26 | 2001-05-03 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Device for the removal of hydrogen from gas mixtures flowing through pipes pipes |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2003138045A (en) | 2005-06-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kotani et al. | An experimental study on stability and combustion characteristics of an excess enthalpy flame | |
| US20110293510A1 (en) | Ammonia flame cracker system, method and apparatus | |
| US4741879A (en) | Catalytic igniters and their use to ignite lean hydrogen-air mixtures | |
| Checkel et al. | Flammability limits and burning velocities of ammonia/nitric oxide mixtures | |
| CN102252344B (en) | Novel ignition temperature measuring device for experiment | |
| RU2268508C2 (en) | Working member of a catalytic burner of hydrogen | |
| TWI550234B (en) | Burner for h2 and burning method of burner for h2 | |
| Risha et al. | Electrolytic-induced decomposition and ignition of HAN-based liquid monopropellants | |
| Francis et al. | Investigation of structures and reaction zones of methane–hydrogen laminar jet diffusion flames | |
| ES2583378T3 (en) | Method for the preparation of compressed oxidizing gas-fuel mixtures | |
| Sakurai et al. | Heat loss reduction and hydrocarbon combustion in ultra-micro combustors for ultra-micro gas turbines | |
| Mokhov et al. | A LIF and CARS study of the effects of upstream heat loss on NO formation from laminar premixed burner-stabilized natural-gas/air flames | |
| Frolov et al. | Low-temperature flameless combustion of a large drop of n-dodecane under microgravity conditions | |
| Ungut et al. | Autoignition of gaseous fuel-air mixtures near a hot surface | |
| Kuznetsov et al. | Radiative extinction of diffusion flame in microgravity | |
| Cohn | Effect of platinum wire structure on catalytic gas-phase ignition of methane | |
| Pearlman et al. | Cool flames and autoignition: thermal-ignition theory of combustion experimentally validated in microgravity | |
| Allah et al. | Effect of water vapor addition on explosion parameters and flammability limits of hydrogen-air | |
| Chan et al. | The structure of horizontal hydrogen-steam diffusion flames | |
| Natarajan et al. | Laminar flame properties of H2/CO mixtures | |
| JPH03505080A (en) | Method and device for removing flammable gas mixtures in gas spaces | |
| Yap et al. | Nitric-oxide emissions scaling of buoyancy-dominated oxygen-enriched and preheated methane turbulent-jet diffusion flames | |
| Shaw et al. | Combustion of Methanol Droplets in Air‐Diluent Environments with Reduced and Normal Gravity | |
| Linteris et al. | Burning velocity measurements and simulations for understanding the performance of fire suppressants in aircraft | |
| ELHSNAWI et al. | Validation of detailed reaction mechanisms for simulations of combustion systems with gas injection |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20081230 |