Einfluss der anfänglichen Gaskonzentration auf Methan

Jul 24, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13519 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Gasexplosionen, insbesondere solche mit Methan-Luft-Gemischen, stellen in geschlossenen Räumen wie Kohlebergwerken erhebliche Gefahren dar. Das Verständnis der Explosionseigenschaften und ihrer Korrelationen mit den anfänglichen Gaskonzentrationen ist für die Entwicklung wirksamer Sicherheitsmaßnahmen von entscheidender Bedeutung. Diese Studie untersucht den Einfluss der anfänglichen Gaskonzentration auf die Explosionstemperatur, den Überdruck und die Flammenentwicklung bei Explosionen mit vorgemischtem Methan-Luft-Gas unter Verwendung einer speziell angefertigten 20-l-Experimentierapparatur mit Kugelform. Die Explosionstemperaturen weisen ein oszillierendes Muster auf und erreichen Maximalwerte bei anfänglichen Gaskonzentrationen von 6,5 %, 9,5 % und 12 % mit entsprechenden Temperaturen von 995 K, 932 K und 1153 K. Der maximale Überdruck zeigt einen anfänglichen Anstiegs- und Abfalltrend. modelliert durch eine Exponentialfunktion. Bemerkenswert ist, dass die Druckwelle in der Nähe der Konzentration von 9,5 % die umgekehrte Ausbreitung der Flammenwelle fördert, was zu einem sekundären Temperaturanstieg führt. Flammensensoren wurden eingesetzt, um das Vorhandensein, Fehlen und die Dauer von Flammen zu untersuchen. Dabei zeigte sich, dass erhöhte anfängliche Gaskonzentrationen zu einer längeren Flammendauer und einem größeren Schaden führten. Bei einer anfänglichen Gaskonzentration von 9,5 % entsteht während der Explosion augenblicklich eine anhaltende Flamme. Darüber hinaus analysiert die Studie das Zusammenspiel von Temperatur und Überdruck und unterstreicht die Bedeutung der Eindämmung von Hochtemperaturverbrennungen in der Nähe von Tunnelwänden und geschlossenen Räumen. Diese Erkenntnisse erweitern das Verständnis der Gasexplosionsdynamik und haben erhebliche Auswirkungen auf Sicherheitsmaßnahmen in Kohlebergwerken.

Methangasexplosionen stellen eine große Gefahr in Kohlebergwerken dar und führen zu erheblichen Folgen, darunter wirtschaftliche Verluste für Kohleunternehmen, Verluste an Menschen, Umweltschäden und eine erhebliche Behinderung der Produktion der Kohleindustrie1,2. Gasexplosionen setzen augenblicklich eine enorme Energiemenge frei, was zu einer Umgebung mit hohen Temperaturen führt. In unterirdischen Kohlebergwerken ereignen sich Explosionen typischerweise in Abbaustollen und Abbauflächen, wo Umweltfaktoren die einfache Ableitung der Explosionsenergie verhindern, was zu anhaltend hohen Temperaturen in den Tunneln führt und erhebliche Risiken für Personal und Ausrüstung birgt3,4,5,6,7. Die anfängliche Methankonzentration beeinflusst die Spitzentemperatur und die Dauer der Explosion. Die Untersuchung der Auswirkungen variierender anfänglicher Methankonzentrationen auf die Temperatureigenschaften während des Explosionsprozesses kann dazu beitragen, eine entscheidende theoretische Grundlage für das Verständnis der Temperatureigenschaften bei Methanexplosionen in Kohlebergwerken zu schaffen und so die von Gasexplosionen ausgehenden Risiken zu verhindern8,9,10,11.

Im Jahr 1967 leitete Olsen12 erstmals durch theoretische Forschung einen Ausdruck für die Explosionstemperatur ab. Wissenschaftler auf der ganzen Welt verwenden mittlerweile numerische Simulationssoftware wie FLACS13,14, FLUENT15,16, AutoReaGas17,18 und CHEMKIN19, um die Temperaturen der Methanexplosion zu untersuchen oder spezifische mathematische physikalische Gleichungen aufzustellen, um Temperaturschwankungsregeln unter Bedingungen mit festem Volumen oder Pipeline-Ausbreitung zu untersuchen20. Einige Forscher haben auch Temperaturschwankungsregeln für Methanexplosionen in geschlossenen Räumen simuliert und damit den Grundstein für Temperaturstudien zu Methanexplosionen gelegt21. Allerdings werden die meisten Simulationen unter isothermen oder adiabatischen Bedingungen durchgeführt, was zu Abweichungen von den tatsächlichen experimentellen Daten führt und genaue Simulationen von Temperaturänderungen während realer Methanexplosionen verhindert.

Unter experimentellen Bedingungen verwendeten Wang und He22 Spannungssignale zur Darstellung der Temperatur und enthüllten den Temperaturänderungstrend von Methanexplosionen, während sie sich durch Pipelines ausbreiten. Nachfolgende Forscher untersuchten Temperaturschwankungen an verschiedenen Stellen während der Ausbreitung der Pipeline und stellten fest, dass die Flammentemperatur im oberen Teil der Pipeline höher ist als im unteren Teil23,24. Cui et al.25 verwendeten R-Typ-Mikrothermoelemente, um die Temperaturschwankungen von Methanexplosionen in kleinen Pipelines zu untersuchen. Li et al.26 verwendeten C2-7-K- und C2-1-K-Thermoelemente, um Temperaturschwankungen während der Explosionsausbreitung zu untersuchen, wobei die höchste aufgezeichnete Temperatur 1292,27 K erreichte. Liu et al.27 analysierten die Beziehung zwischen Flammenausbreitung und Temperatur während der Pipeline Explosionen und entdeckte, dass erhöhte Temperaturen die Flammenausbreitung fördern. Nie et al.28 verwendeten eine zweidimensionale Temperaturfeldstrahlungsmethode, um die Temperaturschwankungen rund um die Explosionsflamme zu untersuchen. Dabei stellten sie fest, dass die Temperatur an der Flammenfront zunächst stark ansteigt, sich dann verlangsamt und nach Erreichen ihres Höhepunkts schließlich abnimmt.

Der Explosionsdruck bei unterschiedlichen anfänglichen Methankonzentrationen ist der Hauptparameter für die Untersuchung von Methanexplosionen. Derzeit werden Methanexplosionsexperimente aufgrund ihrer explosiven Natur hauptsächlich in versiegelten Behältern durchgeführt. Pekalski et al.29 fanden heraus, dass eine steigende Umgebungstemperatur den maximalen Explosionsdruck von CH4 verringert, während sich die maximale Druckanstiegsrate nicht wesentlich ändert. Shi et al.30 verwendeten einen kugelförmigen 20-Liter-Explosionsbehälter, um die Explosionseigenschaften und Einflussfaktoren von CH4-Kohlenstaub-Mischexplosionen zu untersuchen, und stellten fest, dass bei äquivalenten Konzentrationsbedingungen und einem Anfangsdruck, der dem Atmosphärendruck für Kohlenstaub und CH4 entspricht, der größere Wert gilt Je höher der Anfangsdruck des brennbaren Gases, desto höher sind der maximale Explosionsdruck und die Druckanstiegsgeschwindigkeit. Shirvill et al.31 fanden heraus, dass die Zugabe von weniger als 25 Volumenprozent H2 zum Gasnetz die Intensität von Methanexplosionen nicht wesentlich erhöht. Jiao et al.32 stellten einen Zusammenhang zwischen Überdruck und Temperatur bei Tunnelexplosionen her und erhielten eine relativ zuverlässige Verteilung der Lufttemperatur im Tunnel als Funktion der Ausbreitungsstrecke kurz nach der Explosion. Dies gab eine Richtung für die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Temperatur und Druck während des Explosionsprozesses vor. Tran et al.33 erstellten mithilfe von ANSYS Fluent ein dreidimensionales zylindrisches geometrisches Modell, simulierten die Eigenschaften von CH4-Explosionen und kamen zu dem Schluss, dass der maximale Explosionsdruck auftritt, wenn das Äquivalenzverhältnis des CH4-Luft-Gemisches 1,2 beträgt und H2 hinzugefügt wird Kraftstoffmischung erhöht den maximalen Explosionsdruck.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich die aktuelle Forschung zu Temperatureigenschaften bei Methanexplosionen hauptsächlich auf numerische Simulationen konzentriert, wobei relativ wenige Studien zu Explosionstemperatureigenschaften und den Wechselwirkungen zwischen Temperatur und Druck bei verschiedenen anfänglichen Methankonzentrationen durchgeführt werden. Um dieses Problem anzugehen, untersucht dieser Artikel experimentell die Temperaturschwankungen während des Explosionsprozesses und die Wechselwirkungen zwischen Temperatur und Druck bei verschiedenen anfänglichen Methankonzentrationen. Die Ergebnisse tragen zum theoretischen Verständnis der Mechanismen hinter Temperaturschwankungen bei Methanexplosionen bei und verbessern so Strategien zur Prävention und Kontrolle von Gasexplosionskatastrophen. Darüber hinaus kann ein tieferes Verständnis der Wechselwirkungsmechanismen zwischen Temperatur, Druck und Flamme während einer Methanexplosion eine theoretische Grundlage für die Planung von Flucht- und Rettungsaktionen bei Gasexplosionsvorfällen liefern.

Das Explosionsexperimentssystem besteht aus drei Hauptmodulen: einem kugelförmigen 20-Liter-Explosionsmodul, einem Gasversorgungs- und -verteilungsmodul und einem Datenerfassungsmodul, wie in Abb. 1 dargestellt. Das Experiment wird in einem kugelförmigen 20-Liter-Explosionssystem unter Verwendung eines elektrischen Systems durchgeführt Funkenzündung mit einer Energie von 10 J. Das Zündsignal wird über einen Computer und einen Signalgeber an den Zündenergiegenerator übertragen, der anschließend das Gasgemisch zur Detonation bringt. Dieses Gerät wurde speziell für die Untersuchung der explosiven Eigenschaften von Gasen hinsichtlich Temperatur, Druck und Flammenentwicklung unter kontrollierten Bedingungen entwickelt. Das Gerät besteht aus einem kugelförmigen Gefäß, das ein Gasgemisch enthält, das bei Entzündung eine Explosion auslöst. Die Kugelform des Gefäßes ermöglicht eine gleichmäßige Druck- und Temperaturverteilung während der Explosion und macht es zu einem idealen Werkzeug zur Untersuchung der Auswirkungen von Gasexplosionen.

20 L sphärisches Explosionstestsystem. (a) Schematische Darstellung. (b) Geräteaufbau.

Das kugelförmige 20-Liter-Explosionsmodul ist aus Edelstahl gefertigt und der Behälter ist für einen Druck von 4 MPa bei einer Dicke von 20 mm ausgelegt. Dieses Design gewährleistet die notwendige Festigkeit und Integrität des Gefäßes während des Experiments.

Das Gasversorgungs- und -verteilungsmodul besteht hauptsächlich aus Magnetventilen, Gasverteilungsdrucksensoren und Laser-CH4-Konzentrationssensoren. Die CH4-Konzentration wird zunächst mithilfe der Druckproportionalmethode geschätzt und anschließend mit Hilfe von Laser-CH4-Konzentrationssensoren feinabgestimmt. Diese Sensoren können die CH4-Konzentration im Gefäß mit einer Genauigkeit von 0,1 % genau kalibrieren.

Das Datenerfassungsmodul umfasst Prüfsensoren und ein Transientensignal-Prüfsystem. Zu den Prüfsensoren gehören Temperatur-, Druck- und Flammensensoren, wie in Abb. 1b dargestellt. Der Temperatursensor ist 103 mm von der kugelförmigen Gefäßwand entfernt positioniert, mit einer Genauigkeit von 0,1 K und einem Frequenzgang von 5 kHz. Seine Reaktionszeit liegt im Millisekundenbereich und gewährleistet schnelle und zeitnahe Messwerte. Mit einem Messbereich von 273–2373 K ist dieser Sensor in der Lage, präzise Temperaturmessungen während der Explosion zu liefern. Der Drucksensor ist ein hochfrequenter dynamischer Drucksensor der CYG400-Serie (Eigenfrequenz 200 kHz), der das Drucksignal während des gesamten Explosionsprozesses genau ermittelt und den Druck im Behälter misst. Der Messbereich reicht von 0 bis 2 MPa und alle gemessenen Drücke sind Relativdrücke. Der Flammensensor ist vom Typ CKG100 mit einer Reaktionszeit von ≤ 10 μs, der in der Lage ist, die Flamme im Explosionsgefäß zu erfassen und den Flammensignal-Sammelkanal als internen Auslösekanal zu nutzen. Beim Empfang des Flammensignals, also wenn das Testsystem ein Signal mit hohem Pegel empfängt, löst der Sensor die Temperatur-, Druck- und Flammensensoren aus, um nach der Verarbeitung durch das transiente Signal gleichzeitig experimentelle Daten im Explosionsgefäß zu sammeln, zu analysieren und zu speichern Testsystem. Es ist wichtig zu beachten, dass die in unseren Experimenten verwendeten Temperatur-, Druck- und Flammensensoren vor der Verwendung werkseitig kalibriert wurden. Dies stellt die Zuverlässigkeit und Genauigkeit unserer Messungen sicher und bildet eine solide Grundlage für unsere Datenanalyse.

Zunächst wurde das kugelförmige Gefäß auf 0,05 MPa evakuiert. Anschließend wurde die erforderliche Menge CH4-Gas im Partialdruck-Dosierverfahren in den Behälter eingeleitet. Zum Einblasen von Luft wurde ein Kompressor eingesetzt, der dafür sorgte, dass der Druck des CH4/Luft-Gemisches 0,15 MPa erreichte. Nach einer 15-minütigen Ruhephase wurde die Auslassöffnung des Behälters an einen Gasdurchflussmesser und einen Laser-CH4-Konzentrationssensor angeschlossen. Die Gasflussrate wurde angepasst, bis sie sich bei 200–300 ml/min stabilisierte, und die CH4-Konzentration wurde nach 2 Minuten gemessen. Durch Zugabe von Luft wurde die CH4-Konzentration im Gefäß fein eingestellt, bis sie den gewünschten experimentellen Wert erreichte. Das überschüssige Gasgemisch wurde abgelassen, um den Druck im Gefäßinneren auf 0,12 MPa zu halten. Es ist wichtig zu beachten, dass der Laser-CH4-Konzentrationssensor mit Standardgas kalibriert wurde, um eine Messgenauigkeit von 0,1 % zu gewährleisten.

Bei der Vorbereitung des Experiments wurde der Auslöseschalter aktiviert, wodurch nacheinander das Magnetventil, der Hochdruckimpulsgenerator und das Datenerfassungsgerät ausgelöst wurden, um Temperatur-, Druck- und Flammendaten aus dem Explosionsgefäß zu sammeln. Mithilfe der Zündelektrode wurde dann die Gasverbrennung gezündet und der Explosionsprozess eingeleitet.

Nach jedem Versuchssatz wurden die Verbrennungsprodukte abgeführt und die Daten aufgezeichnet und gespeichert. Darüber hinaus wurden die aufgezeichneten Daten einer automatischen Filterung und Rauschunterdrückung unterzogen, um ihre Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu verbessern. Das Gas im Gefäß wurde zwei- bis dreimal ausgetauscht und anschließende Experimente wurden durchgeführt, nachdem die Temperatur im Gefäß auf Raumtemperatur zurückgekehrt war. Die Anfangsbedingungen für die Experimente waren Raumtemperatur, 0,12 MPa und ein experimenteller Schritt von 0,5 %. Es ist bekannt, dass die untere Explosionsgrenze (UEG) und die obere Explosionsgrenze (OEG) eines Methan-Luft-Gemisches 5,0 % bzw. 16,0 % betragen. In dieser Studie haben wir uns speziell auf die Prüfung von Konzentrationen im Bereich von 5,5 % bis 14,0 % konzentriert.

Gasexplosionen erzeugen hohe Temperaturen, die verheerende Folgen haben können34. In dieser Studie wurde der Zusammenhang zwischen der Explosionstemperatur und der anfänglichen Gaskonzentration experimentell untersucht, wie in Abb. 2 dargestellt. Wie erwartet variierten sowohl die Geschwindigkeit der Temperaturänderung als auch die maximale Explosionstemperatur in Abhängigkeit von der anfänglichen Gaskonzentration. Während der Explosion wurde ein deutlicher sekundärer Temperaturanstieg beobachtet, insbesondere bei Konzentrationen um 9,5 %, wie in Abb. 2b dargestellt.

Temperaturschwankung während einer Gasexplosion unter unterschiedlichen Anfangsbedingungen der Gaskonzentration.

Nach der Zündung kam es zu einer Verzögerung von 41 ms, bevor die Temperatur stark anstieg. Die erste Spitzentemperatur von 909,22 K wurde bei 331 ms erreicht, sank dann auf 894,35 K bei 450 ms, gefolgt von einem zweiten Anstieg auf einen Spitzenwert von 937,66 K bei 570 ms und fiel anschließend allmählich ab. Dieses Phänomen kann darauf zurückgeführt werden, dass der Explosionstemperaturtestsensor 103 mm von der Mitte des Behälters entfernt positioniert ist. Die begrenzende Wirkung des Explosionsgefäßes und des Drucks führen zusammen mit anderen Faktoren dazu, dass die Flamme im 20-Liter-Behälter oszilliert und sich überlagert, was zu einem sekundären Temperaturanstieg führt. Der umschlossene Raum, beispielsweise die Behälterwand, übt eine bremsende Wirkung auf die Explosion aus und unterstreicht die Bedeutung der Verhinderung von Hochtemperaturverbrennungen in der Nähe von Tunnelwänden und geschlossenen Enden in tatsächlichen Gasexplosionsszenarien.

Die maximale Explosionstemperatur bezeichnet die höchste Temperatur, die bei einer Explosion bei einer bestimmten Gaskonzentration erreicht wird. Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse einer Untersuchung der Variationen der maximalen Explosionstemperaturen für verschiedene anfängliche Gaskonzentrationen innerhalb der Explosionsgrenze. Die Ergebnisse zeigen ein oszillierendes Phänomen der maximalen Explosionstemperatur in Abhängigkeit von der anfänglichen Gaskonzentration innerhalb der Explosionsgrenze. Der Trend zeigt ein Anstieg-Abnahme-Zunahme-Abnahme-Zunahme-Abnahme-Muster, wenn die anfängliche Gaskonzentration ansteigt. Bemerkenswerterweise werden extreme Werte bei anfänglichen Gaskonzentrationen von 6,5 %, 9,5 % und 12 % beobachtet, wobei die höchste Explosionstemperatur von 1154,4 K bei 12 % erreicht wird.

Maximale Temperatur der Gasexplosion unter verschiedenen Anfangsbedingungen der Gaskonzentration.

Die beobachtete Variation der maximalen Explosionstemperatur bei Änderungen der anfänglichen Gaskonzentration kann auf die Art der bei der Gasexplosion freigesetzten Energie zurückgeführt werden. Die Energiefreisetzung bei der Gasexplosion erfolgt hauptsächlich in Form von Gasexpansion und Wärme35. Im aktuellen Experiment besteht die Energie überwiegend aus Hochdruck-Expansionsgas, Hochtemperaturumgebung, Reaktionsprodukten und Wärmeübertragung. Die Energie der Reaktion vor der Explosion variiert mit der anfänglichen Gaskonzentration, und die während der Explosion erzeugte Hochtemperaturumgebung stellt eine der Möglichkeiten dar, wie beim Explosionsprozess Energie freigesetzt wird.

Abbildung 3 zeigt, dass der höchste Explosionsdruck bei einer Gaskonzentration von 9,5 % entsteht, was darauf hindeutet, dass der Explosionsprozess in Form der Gasexpansion mehr Energie freisetzt als bei 6 % und 12 % Gaskonzentration. Dies führt bei äquivalenten Gaskonzentrationen zu etwas niedrigeren Temperaturen im Vergleich zu den beiden letztgenannten. Bei einer anfänglichen Gaskonzentration von 12 % führt die an der Reaktion beteiligte Methanmenge zu einer höheren Gesamtenergiemenge, die bei der Explosion freigesetzt wird als bei 6 %, was zu einer höheren gespeicherten Energie in Form von Temperatur während der 12 %-Gasexplosion führt Verfahren. Darüber hinaus weist die höchste Explosionstemperatur aufgrund des Einflusses unterschiedlicher Flammendauern des Gasexplosionsprozesses ein komplexes Oszillationsmuster mit Änderungen der anfänglichen Gaskonzentration auf.

Die Entwicklung des Überdrucks bei Gasexplosionen wurde unter verschiedenen anfänglichen Gaskonzentrationsbedingungen untersucht. Die Ergebnisse sind in Abb. 4 dargestellt. Es ist zu beobachten, dass der während der Explosion unter verschiedenen anfänglichen Gaskonzentrationsbedingungen auftretende Überdruck einem ähnlichen Trend folgt sie steigt zunächst an und nimmt anschließend ab. Es wurde jedoch festgestellt, dass der Prozess des Druckanstiegs und -abfalls während der Gasexplosion in der Nähe von 9,5 % anfänglichen Gaskonzentrationen schneller ablief. Abbildung 5 zeigt den maximalen Explosionsüberdruck und die entsprechende Zeit bei verschiedenen anfänglichen Gaskonzentrationen im Bereich von 5,5 bis 14,5 %. Es ist zu beobachten, dass der maximale Explosionsdruck abnimmt, wenn die anfängliche Gaskonzentration von 5,5 auf 6,5 % ansteigt, mit einem leichten Anstieg bei 7,0 %, gefolgt von einem allmählichen Anstieg bis zu 9,5 %, der den Spitzenwert von 0,899 MPa erreicht. Anschließend kommt es zu einem Abfall des maximalen Explosionsdrucks um 10,0 % und dann zu einem schwankenden Muster zwischen 10,5 und 13,5 %, mit einem starken Rückgang bei 14,0 % und 14,5 %. Der maximale Überdruck scheint der Gleichung \(y=-0,70996+\frac{1,78584}{{e}^{2*{(\frac{x-9,50284}{7,71847})}^{2}}}\) zu entsprechen. , mit dem Anpassungskoeffizienten R2 > 0,9.

Überdruckentwicklung während einer Gasexplosion unter verschiedenen anfänglichen Gaskonzentrationsbedingungen.

Maximaler Überdruck der Gasexplosion unter verschiedenen Anfangsbedingungen der Gaskonzentration.

Flammensignale können über einen Flammensensor erfasst werden, der Spannungssignale erkennt. Das Vorhandensein eines Spannungssignals weist auf das Vorhandensein einer Flamme hin. Das Spannungssignal wird verwendet, um das Vorhandensein, Fehlen und die Dauer der Flamme zu untersuchen. Wie in (Abb. 6) dargestellt, variiert die Flammendauer bei Explosionen je nach anfänglicher Gaskonzentration. Die kürzeste Flammendauer wird beobachtet, wenn die anfänglichen Gaskonzentrationen bei 9 %, 10 % und 11 % liegen, wobei die Dauer über diese Konzentrationen hinweg relativ konstant bleibt. Im Gegensatz dazu werden längere Flammendauern beobachtet, wenn die anfänglichen Gaskonzentrationen bei UEL und UEG liegen, was höheren Temperaturen im Tank entspricht. Darüber hinaus unterscheidet sich die Flammendauer während der Explosion von der bei 9,5 %-Konzentrationen. Insbesondere wenn die anfängliche Gaskonzentration nahe der oberen Explosionsgrenze liegt, kann die Flammendauer während der Explosion bis zu 1,84-mal länger sein als bei einer Konzentration von 9,5 %

Flammendauer einer Gasexplosion unter verschiedenen anfänglichen Gaskonzentrationsbedingungen.

Wenn die anfängliche Gaskonzentration bei etwa 9,5 % liegt, erfolgt die Explosion gleichzeitig mit der Erfassung des Flammensignals. In der Nähe der UEL- und LEL-Werte empfängt der Flammensensor das Flammensignal nach einer bestimmten Zeitspanne, bevor eine stabile Explosionsflamme entsteht existiert. Das Signalbild einer typischen Flamme wird aufgenommen, um die Flammenveränderung während der Explosion von Gas mit niedriger Konzentration (5,5 %), Gas mit äquivalenter Konzentration (9,5 %) und Gas mit hoher Konzentration (14 %) zu untersuchen, wie in Abb. 7 dargestellt. Es wurde festgestellt, dass bei einer anfänglichen Gaskonzentration von 9,5 % die Explosion gleichzeitig mit dem Aufnehmen des Flammensignals auftrat. In der Nähe der UEG- und UEG-Werte erfasste der Flammensensor jedoch das Flammensignal und es verging eine gewisse Zeit, bis eine stabile Explosionsflamme vorhanden war.

Explosionsflammensignale für 5,5 %, 9,5 % und 14,0 % Methankonzentration.

Wenn die anfängliche Gaskonzentration etwa 9,5 % beträgt, erfolgt die Explosion gleichzeitig mit der Flammensignalerkennung. In der Nähe der UEG- und UEG-Werte erkennt der Flammensensor das Flammensignal nach einer bestimmten Zeitspanne, bevor eine stabile Explosionsflamme vorliegt. Abbildung 7 zeigt ein typisches Flammensignalbild zur Untersuchung der Flammenveränderungen bei Explosionen von Gas mit niedriger Konzentration (5,5 %), Gas mit äquivalenter Konzentration (9,5 %) und Gas mit hoher Konzentration (14 %).

Die Analyse der Flammensignalbilder ergab, dass bei einer anfänglichen Gaskonzentration von 5,5 % nach der Zündung zunächst intermittierende Flammen im Behälter auftreten, was darauf hindeutet, dass die niedrige Gaskonzentration eine schwache anfängliche Explosion mit einer instabilen Flamme verursacht. Nach einiger Zeit steigen jedoch die Explosionstemperatur und der Explosionsdruck an, was zu einer stabilen Explosion mit einer Flammenstabilitätsdauer von 1432 ms führt. Bei einer anfänglichen Gaskonzentration von 9,5 % ist die Explosion intensiver und die Flamme erscheint unmittelbar nach der Zündung mit einer stabilen Flammendauer von 1232 ms. Umgekehrt erschwert die hohe Gaskonzentration bei einer anfänglichen Gaskonzentration von 14 % die Zündung, sodass sich zuerst das Gas um die Zündquelle herum entzündet und nach einiger Zeit eine stabile Flamme mit einer Flammenstabilitätsdauer von 2189 ms erzeugt.

Abbildung 8 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen der Explosionsflamme und der Explosionstemperatur für eine Gasexplosion bei einer anfänglichen Gaskonzentration von 9,5 %. Es ist offensichtlich, dass, wenn das Flammensignal nach einem bestimmten Zeitintervall (∆t) erscheint, die Temperatur im Behälter zu steigen beginnt, was mit dem zuvor diskutierten Phänomen der Temperaturverzögerung übereinstimmt. Die höchste Temperatur während der Explosion wird erreicht, während die Flamme im Gefäß vorhanden ist. Anschließend erlischt die Flamme, sobald die Temperatur im Tank auf 750 K sinkt.

Der Zusammenhang zwischen Temperatur und Flamme während der Explosion einer Gaskonzentration von 9,5 %.

Die Analyse legt nahe, dass hohe anfängliche Gaskonzentrationen bei Explosionen zu längeren Flammendauern führen und so zu größeren Schäden für Personen führen. Zusätzlich zu den toxischen Wirkungen von Gasen nach der Explosion und der Möglichkeit sekundärer Explosionen kann die anhaltende Verbrennungswirkung auf den menschlichen Körper schwere Schäden für das Personal verursachen. Daher ist in Kohlebergwerken die Verhinderung hoher Konzentrationen von Gasexplosionen von entscheidender Bedeutung, um die durch hohe Temperaturen verursachten Gefahren zu mindern. Die Umsetzung von Maßnahmen zur Überwachung und Regulierung der Gaskonzentrationen in Bergwerken kann dazu beitragen, die Wahrscheinlichkeit von Gasexplosionen zu verringern und die Sicherheit der Bergleute zu gewährleisten.

Das Verständnis des Zusammenhangs zwischen Temperatur und Überdruck bei Gasexplosionen ist entscheidend, um die Dynamik des Explosionsprozesses zu verstehen und wirksame Sicherheitsmaßnahmen zu entwickeln. In diesem Zusammenhang wurden die Temperatur und der Überdruck einer Gasexplosion mit einer Konzentration von 9,5 % analysiert, wie in Abb. 9 dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Druck 115 ms lang seinen Höhepunkt bei 0,899 MPa erreichte, während die Temperatur ihren ersten Höhepunkt bei 909,22 K erreichte 331 ms, mit einem Druckspitzenzeitintervall von t1 = 216 ms. Darüber hinaus erreichte die Temperatur zum zweiten Mal ihren Höhepunkt bei 936,34 K für 570 ms, mit einem Druckspitzenzeitintervall von t2 = 455 ms. Die Analyse zeigt insbesondere, dass sich die Druckwelle während des Explosionsprozesses schneller ausbreitete als die Flamme, was dazu führte, dass die Temperatur ihren ersten Höhepunkt später als zum Zeitpunkt des Druckwellen-Höhepunkts erreichte.

Der Zusammenhang zwischen Überdruck und Temperatur bei Gaskonzentrationen von 6,5 %, 9,5 % und 12,0 %.

Wenn die Explosionsdruckwelle außerdem die Behälterwand erreicht, erfährt sie eine umgekehrte Kraft, was zu ihrer umgekehrten Ausbreitung führt. Gleichzeitig konvergiert die langsamer brennende Welle mit der sich rückwärts ausbreitenden Welle, was dazu führt, dass sich einige der brennenden Flammenwellen auch in die entgegengesetzte Richtung ausbreiten. Die Überlagerung der Vorwärts- und Rückwärtsbrennwellen führt zu einer weiteren Erhöhung der Flammentemperatur. Es ist zu beachten, dass dieses Phänomen insbesondere bei hoher Explosionsstärke gefährlich sein kann, da es zu einem sekundären Anstieg der Gasexplosionstemperatur führen kann.

Wenn die anfängliche Gaskonzentration jedoch in der Nähe der UEG- und UEG-Werte liegt, beispielsweise bei 6,5 % und 12 %, wie in Abb. 9 dargestellt, ist kein sekundärer Temperaturanstieg während der Explosion zu beobachten. Es wird postuliert, dass die verringerte Intensität der Explosion zu einer langsameren Druckanstiegsrate und einer längeren Zeit führt, bis der Druck seinen Höhepunkt erreicht. Folglich wird die Fähigkeit der Druckwelle, sich beim Erreichen des Explosionstanks rückwärts auszubreiten, geschwächt. Darüber hinaus sind die Zeitintervalle zwischen Temperaturspitzen und Druckspitzen, t3 und t4, deutlich kürzer als t2, wodurch die umgekehrte Ausbreitung der Flammenwelle verringert wird. Dadurch wird das Phänomen der Sekundärerwärmung während des Temperaturanstiegsprozesses abgeschwächt und tritt in manchen Fällen gar nicht mehr auf.

In dieser Studie wurden die Explosionseigenschaften von vorgemischtem Methan-Luft-Gas und der Einfluss der anfänglichen Gaskonzentration auf Explosionstemperatur, Überdruck und Flammenentwicklung untersucht. Die Ergebnisse liefern wertvolle Einblicke in die Dynamik von Gasexplosionen und haben erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung wirksamer Sicherheitsmaßnahmen. Die wichtigsten Schlussfolgerungen dieser Studie lauten wie folgt:

Die Explosionseigenschaften von vorgemischtem Methan-Luft-Gas werden stark von der anfänglichen Gaskonzentration beeinflusst. Die Explosionstemperatur weist mit steigender Gaskonzentration ein oszillierendes Muster auf, wobei Maximalwerte bei Konzentrationen von 12 % und 6,5 % auftreten. Der maximale Überdruck folgt einem anfänglichen Anstiegs- und Abfalltrend und kann mit einer Anpassungsgleichung \(y=-0,70996+\frac{1,78584}{{e}^{2*{(\frac{x-9,50284}{7,71847}) modelliert werden. )}^{2}}}\), was ein starkes Bestimmtheitsmaß ergibt (R2 > 0,9).

Der Zusammenhang zwischen Temperatur und Überdruck bei Gasexplosionen offenbart die Ursachen von Temperaturänderungen. Die Ausbreitung von Druckwellen ist schneller als die Ausbreitung von Flammen, was bei starken Explosionen zu einem sekundären Temperaturanstieg führt. Nahe der Gaskonzentration von 9,5 % weist die Explosionstemperatur im Laufe der Zeit zwei Spitzen auf. Wenn die anfängliche Gaskonzentration jedoch in der Nähe der UEG- und UEG-Werte liegt, ist das Phänomen der sekundären Erwärmung abgeschwächt oder nicht vorhanden. Dies unterstreicht die Bedeutung der Vermeidung von Hochtemperaturverbrennungen in der Nähe von Tunnelwänden und geschlossenen Räumen in tatsächlichen Gasexplosionsszenarien.

Flammensensoren wurden eingesetzt, um das Vorhandensein, Fehlen und die Dauer von Flammen zu untersuchen. Dabei zeigte sich, dass hohe anfängliche Gaskonzentrationen zu längeren Flammendauern und größerem Schaden führten. Daher ist die Überwachung und Regulierung der Gaskonzentrationen in potenziell explosionsgefährdeten Umgebungen wie Kohlebergwerken von entscheidender Bedeutung, um die durch Gasexplosionen verursachten Gefahren zu mindern und die Sicherheit des Personals zu gewährleisten.

Die Explosionsintensität in der Nähe der Explosionsgrenzen wird durch den Einfluss der anfänglichen Gaskonzentration verringert, was zu einem langsameren Druckanstieg während des Explosionsprozesses, einer längeren Zeit bis zum Erreichen der Druckspitze und einer geschwächten Fähigkeit der Druckwellen zur Umkehrung führt breiten sich nach Erreichen des Explosionsbehälters aus. Die Zeitabstände zwischen Druck- und Temperaturspitzen während des Explosionsprozesses sind kleiner, was die Rückausbreitung der Flammenwelle verringert und die Sekundärerwärmung während des Temperaturanstiegsprozesses schwächt oder sogar ganz ausschließt. Vorgemischtes Methan-Luft-Gas mit einer Methankonzentration von 9,5 % weist den stärksten Explosionseffekt auf und erzeugt stärkere Druckwellen und eine höhere Flammenausbreitungsgeschwindigkeit.

Die im Rahmen der aktuellen Studie generierten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Forschung wird finanziell unterstützt vom Open Fund Project des Chongqing Key Laboratory of Fire and Explosion Safety (LQ21KFJJ07), der National Natural Science Foundation of China (52174226), dem Chongqing Talent Program Project (cstc2021ycjh-bgzxm0230) und der National Natural Science Foundation of China Youth Fondsprojekt (52104238).

China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing, 400037, China

Quansheng Jia, Rongjun Si, Lei Wang und Shaoqian Xue

Abteilung für Erdöl, Öl und Schmierstoffe in der Army Logistics Academy der PLA, Chongqing, 401331, China

Quansheng Jia & Lei Wang

School of Civil, Mining, Environmental and Architectural Engineering, University of Wollongong, Wollongong, NSW, 2522, Australien

Zhongbei Li

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QSJ und RJS konzipierten und gestalteten die Experimente; QSJ, LW und SQX führten die Experimente durch; QSJ und ZBL analysierten die Ergebnisse, erstellten Zahlen und verfassten den Hauptmanuskripttext; Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Rongjun Si oder Zhongbei Li.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Jia, Q., Si, R., Wang, L. et al. Einfluss der anfänglichen Gaskonzentration auf die Explosionseigenschaften von Methan-Luft-Gemischen und Auswirkungen auf das Sicherheitsmanagement. Sci Rep 13, 13519 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40383-3

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Eingegangen: 01. Mai 2023

Angenommen: 09. August 2023

Veröffentlicht: 19. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40383-3

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