Premixed hydrogen combustion: kinetic predictions of flame behaviour

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Gonçalves, Ailton Donadony Fernandes
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10400.21/15957
Resumo: Trabalho Final de Mestrado para Obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Biológica
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spelling Premixed hydrogen combustion: kinetic predictions of flame behaviourHydrogen combustionAdiabatic flame temperatureLaminar flame speedCombustion mechanismsFuel blendsCombustão do hidrogénioTemperatura adiabática de chamaVelocidade de chama laminarMecanismos de combustãoMistura de combustívelTrabalho Final de Mestrado para Obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e BiológicaIn this final master's work, it was intended to analyze the involvement of hydrogen as an energy carrier and fuel, with emphasis on its combustion properties, analysis to radicals and chemical species, in mixtures with other species, namely methane (CH4 ), carbon dioxide (CO2) and natural gas (NG). The studies were carried out through numerical simulations, with the kinetic mechanisms GRI-MECH 3.0, San Diego Mech, Qin Mech, AramcoMech_1.3 and Boivin Mech, performed in the programming environment Python, using the library Cantera. Studies were performed on the adiabatic flame temperature (Tb), the laminar flame speed (SL) and the flame stability and operating limits. The influence of 4 parameters, fuel composition, equivalence ratio (ϕ), premix temperature with air (Tu) and the system pressure (P) were studied. Similar behaviour was observed between adiabatic flame temperature and flame speed with respect to the equivalence ratio, where the maximum value is reached in the rich mixing zone. For the influence of the premix temperature, it was observed that its increase generates an increase in Tb and SL, while the increase in pressure generates an increase in adiabatic temperature and a decrease in flame speed. When using mixtures of H2 with CH4 and CH4/CO2 , it is observed that both adiabatic temperature and flame speed show decreases, and their maximum values approach the stoichiometry. Empirical equations have been proposed to describe the adiabatic temperature of pure hydrogen flames as a function of equivalence ratio, premix temperature and pressure. Regarding flame stability and operating limits, the influence of H2 content in a hydrogen-enriched natural gas (HENG) blend was evaluated. Results show an increase in flame stability by the addition of H2 .Neste trabalho final de mestrado, pretendeu-se analisar a envolvente do hidrogénio como um portador de energia e combustível, com ênfase nas suas propriedades de combustão, análise aos radicais e espécies químicas, em misturas com outras espécies, nomeadamente metano (CH4 ), dióxido de carbono (CO2 ) e gás natural (NG). Os estudos foram feitos através de simulações numéricas, com os mecanismos cinéticos GRI-MECH 3.0, San Diego Mech, Qin Mech, AramcoMech_1.3 e Boivin Mech, realizadas no ambiente de programação Python, recorrendo a biblioteca Cantera. Foram realizados estudos sobre a temperatura adiabática de chama (Tb), a velocidade da chama laminar (SL) e da estabilidade de chama e limites de operação. Estudou-se a influência de 4 parâmetros, composição do combustível, razão de equivalência (ϕ), temperatura da pré-mistura com ar (Tu) e a pressão do sistema (P). Observou-se comportamentos similares entre a temperatura adiabática de chama e a velocidade de chama relativamente à razão de equivalência, onde o valor máximo é alcançado na zona rica de mistura. Para a influência da temperatura da pré-mistura, observou-se que o seu acréscimo gera um aumento em Tb e SL, enquanto o aumento da pressão gera um aumento na temperatura adiabática e um decréscimo na velocidade de chama. Quando se utilizam misturas de H2 com CH4 e CH4/CO2 , observa-se que tanto a temperatura adiabática quanto a velocidade da chama apresentam decréscimos e seus valores máximos se aproximem da estequiometria. Foram propostas equações empíricas para descrever a temperatura adiabática das chamas de hidrogénio puro em função da razão de equivalência, temperatura da pré-mistura e pressão. Em relação à estabilidade de chama e limites de operação, avaliou-se a influência do teor em H2 numa mistura de gás natural enriquecido com hidrogénio (HENG). Resultados mostram um acréscimo na estabilidade das chamas pela adição de H2 .Instituto Superior de Engenharia de LisboaTrindade, Teodoro José PereiraRCIPLGonçalves, Ailton Donadony Fernandes2023-04-28T12:59:09Z2022-092022-09-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10400.21/15957TID:203283007engGONÇALVES, Ailton Donadony Fernandes – Premixed hydrogen combustion: kinetic predictions of flame behaviour. Lisboa: Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, 2022. 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