Influenza della concentrazione iniziale del gas sul metano

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13519 (2023) Citare questo articolo

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Le esplosioni di gas, in particolare quelle che coinvolgono miscele metano-aria, presentano notevoli rischi in spazi confinati, come le miniere di carbone. Comprendere le caratteristiche dell'esplosione e la loro correlazione con le concentrazioni iniziali del gas è vitale per ideare misure di sicurezza efficaci. Questo studio esamina l'influenza della concentrazione iniziale del gas sulla temperatura dell'esplosione, sulla sovrapressione e sull'evoluzione della fiamma nelle esplosioni di gas premiscelati metano-aria, utilizzando un apparato sperimentale per esplosioni sferiche da 20 litri personalizzato. Le temperature di esplosione mostrano un andamento oscillatorio, raggiungendo valori massimi alle concentrazioni iniziali di gas del 6,5%, 9,5% e 12%, con temperature corrispondenti di 995 K, 932 K e 1153 K. La sovrapressione massima mostra una tendenza iniziale di aumento e diminuzione, modellato da una funzione esponenziale. In particolare, in prossimità della concentrazione del 9,5%, l'onda di pressione favorisce la propagazione inversa dell'onda di fiamma, portando ad un aumento secondario della temperatura. Sono stati impiegati sensori di fiamma per indagare la presenza, l'assenza e la durata delle fiamme, dimostrando che elevate concentrazioni iniziali di gas hanno comportato una durata della fiamma più prolungata e un aumento dei danni. Ad una concentrazione iniziale di gas del 9,5%, durante l'esplosione viene generata istantaneamente una fiamma persistente. Inoltre, lo studio analizza l’interazione tra temperatura e sovrapressione, sottolineando l’importanza di mitigare le ustioni ad alta temperatura vicino alle pareti dei tunnel e agli spazi chiusi. Questi risultati migliorano la comprensione delle dinamiche delle esplosioni di gas e hanno implicazioni sostanziali per le misure di sicurezza nelle miniere di carbone.

Le esplosioni di gas metano rappresentano un grave pericolo nelle miniere di carbone e portano a conseguenze significative, tra cui perdite economiche per le imprese carboniere, vittime umane, danni ambientali e gravi ostacoli alla produzione dell'industria del carbone1,2. Le esplosioni di gas rilasciano istantaneamente un'enorme quantità di energia, creando un ambiente ad alta temperatura. Nelle miniere di carbone sotterranee, le esplosioni si verificano tipicamente nei tunnel di scavo e nei fronti minerari, dove i fattori ambientali impediscono la facile dissipazione dell'energia dell'esplosione, causando temperature elevate prolungate nei tunnel e ponendo notevoli rischi per il personale e le attrezzature3,4,5,6,7. La concentrazione iniziale di metano influenza la temperatura di picco e la durata dell'esplosione. Lo studio degli effetti delle variazioni delle concentrazioni iniziali di metano sulle caratteristiche della temperatura durante il processo di esplosione può aiutare a fornire una base teorica cruciale per comprendere le caratteristiche della temperatura nelle esplosioni di metano nelle miniere di carbone, prevenendo così i rischi posti dalle esplosioni di gas8,9,10,11.

Nel 1967 Olsen12 per primo derivò un'espressione per la temperatura di esplosione attraverso una ricerca teorica. Gli studiosi di tutto il mondo ora utilizzano software di simulazione numerica come FLACS13,14, FLUENT15,16, AutoReaGas17,18 e CHEMKIN19 per studiare le temperature di esplosione del metano o stabilire specifiche equazioni fisiche matematiche per esplorare le regole di variazione della temperatura in condizioni di volume fisso o di propagazione della pipeline20. Alcuni ricercatori hanno anche simulato regole di variazione della temperatura per le esplosioni di metano in spazi confinati, ponendo le basi per studi sulla temperatura delle esplosioni di metano21. Tuttavia, la maggior parte delle simulazioni sono condotte in condizioni isotermiche o adiabatiche, portando a discrepanze con i dati sperimentali effettivi e impedendo simulazioni accurate dei cambiamenti di temperatura durante le reali esplosioni di metano.

In condizioni sperimentali, Wang e He22 hanno utilizzato segnali di tensione per rappresentare la temperatura, svelando l’andamento del cambiamento di temperatura delle esplosioni di metano mentre si propagano attraverso le condutture. Successivamente i ricercatori hanno studiato le variazioni di temperatura in diverse posizioni durante la propagazione della tubazione, riscontrando che la temperatura della fiamma nella parte superiore della tubazione è più elevata che nella parte inferiore23,24. Cui et al.25 hanno utilizzato microtermocoppie di tipo R per esaminare le variazioni di temperatura delle esplosioni di metano su piccola scala. Li et al.26 hanno utilizzato termocoppie C2-7-K e C2-1-K per studiare le variazioni di temperatura durante la propagazione dell'esplosione, con la temperatura più alta registrata che ha raggiunto 1292,27 K. Liu et al.27 hanno analizzato la relazione tra la propagazione della fiamma e la temperatura durante la tubazione esplosioni, scoprendo che l’aumento delle temperature favorisce la propagazione della fiamma. Nie et al.28 hanno utilizzato un metodo di radiazione del campo di temperatura bidimensionale per studiare le variazioni di temperatura intorno alla fiamma dell'esplosione, scoprendo che la temperatura sul fronte della fiamma inizialmente aumenta bruscamente, poi rallenta e infine diminuisce dopo aver raggiunto il suo picco.