Influencia de la concentración inicial del gas sobre el metano.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 13519 (2023) Citar este artículo

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Las explosiones de gas, particularmente aquellas que involucran mezclas de metano y aire, presentan riesgos considerables en espacios confinados, como las minas de carbón. Comprender las características de la explosión y sus correlaciones con las concentraciones iniciales de gas es vital para diseñar medidas de seguridad eficaces. Este estudio examina la influencia de la concentración inicial de gas en la temperatura de explosión, la sobrepresión y la evolución de la llama en explosiones de gas premezclado de metano y aire, utilizando un aparato experimental de explosión esférica de 20 L hecho a medida. Las temperaturas de explosión muestran un patrón oscilatorio, alcanzando valores máximos con concentraciones iniciales de gas del 6,5%, 9,5% y 12%, con temperaturas correspondientes de 995 K, 932 K y 1153 K. La sobrepresión máxima muestra una tendencia inicial de ascenso y descenso. modelado por una función exponencial. En particular, cerca de la concentración del 9,5%, la onda de presión fomenta la propagación inversa de la onda de llama, lo que lleva a un aumento secundario de la temperatura. Se emplearon sensores de llamas para investigar la presencia, ausencia y duración de las llamas, lo que demostró que las concentraciones iniciales elevadas de gas daban lugar a duraciones más prolongadas de las llamas y a un mayor daño. Con una concentración inicial de gas del 9,5%, se genera instantáneamente una llama persistente durante la explosión. Además, el estudio analiza la interacción entre temperatura y sobrepresión, subrayando la importancia de mitigar las quemaduras por alta temperatura cerca de las paredes de los túneles y espacios cerrados. Estos hallazgos avanzan en la comprensión de la dinámica de las explosiones de gas y tienen implicaciones sustanciales para las medidas de seguridad en las minas de carbón.

Las explosiones de gas metano son un peligro importante en las minas de carbón y tienen consecuencias importantes, incluidas pérdidas económicas para las empresas del carbón, víctimas humanas, daños ambientales y graves obstáculos a la producción de la industria del carbón1,2. Las explosiones de gas liberan instantáneamente una inmensa cantidad de energía, lo que da como resultado un ambiente de alta temperatura. En las minas de carbón subterráneas, las explosiones suelen ocurrir en túneles de excavación y frentes mineros, donde los factores ambientales impiden la fácil disipación de la energía de la explosión, provocando altas temperaturas sostenidas en los túneles y planteando riesgos considerables para el personal y el equipo3,4,5,6,7. La concentración inicial de metano influye en la temperatura máxima y la duración de la explosión. Investigar los efectos de las variaciones de las concentraciones iniciales de metano sobre las características de la temperatura durante el proceso de explosión puede ayudar a proporcionar una base teórica crucial para comprender las características de la temperatura en las explosiones de metano en las minas de carbón, previniendo así los riesgos que plantean las explosiones de gas8,9,10,11.

En 1967, Olsen12 obtuvo por primera vez una expresión para la temperatura de explosión a través de una investigación teórica. Actualmente, académicos de todo el mundo utilizan software de simulación numérica como FLACS13,14, FLUENT15,16, AutoReaGas17,18 y CHEMKIN19 para estudiar las temperaturas de explosión de metano o establecer ecuaciones físicas matemáticas específicas para explorar reglas de variación de temperatura en condiciones de propagación de tuberías o de volumen fijo20. Algunos investigadores también han simulado reglas de variación de temperatura para explosiones de metano en espacios confinados, sentando las bases para estudios de temperatura de explosión de metano21. Sin embargo, la mayoría de las simulaciones se llevan a cabo en condiciones isotérmicas o adiabáticas, lo que genera discrepancias con los datos experimentales reales e impide simulaciones precisas de cambios de temperatura durante explosiones reales de metano.

En condiciones experimentales, Wang y He22 utilizaron señales de voltaje para representar la temperatura, revelando la tendencia al cambio de temperatura de las explosiones de metano a medida que se propagan a través de las tuberías. Investigadores posteriores estudiaron las variaciones de temperatura en diferentes posiciones durante la propagación de la tubería y encontraron que la temperatura de la llama en la parte superior de la tubería es mayor que en la parte inferior23,24. Cui et al.25 utilizaron microtermopares de tipo R para examinar las variaciones de temperatura de explosiones de metano en tuberías a pequeña escala. Li et al.26 emplearon termopares C2-7-K y C2-1-K para investigar las variaciones de temperatura durante la propagación de la explosión, alcanzando la temperatura más alta registrada 1292,27 K. Liu et al.27 analizaron la relación entre la propagación de la llama y la temperatura durante la tubería. explosiones, descubriendo que el aumento de las temperaturas favorece la propagación de las llamas. Nie et al.28 emplearon un método de radiación de campo de temperatura bidimensional para estudiar las variaciones de temperatura alrededor de la llama de la explosión y descubrieron que la temperatura en el frente de la llama inicialmente aumenta bruscamente, luego se desacelera y finalmente disminuye después de alcanzar su pico.

La presión de explosión bajo diferentes concentraciones iniciales de metano es el parámetro principal para estudiar las explosiones de metano. Actualmente, debido a su naturaleza explosiva, los experimentos de explosión de metano se llevan a cabo principalmente en contenedores sellados. Pekalski et al.29 descubrieron que el aumento de la temperatura ambiente reduce la presión máxima de explosión del CH4, mientras que la tasa máxima de aumento de presión no cambia significativamente. Shi et al.30 utilizaron un recipiente de explosión esférico de 20 L para estudiar las características de explosión y los factores que influyen en las explosiones mixtas de CH4 y polvo de carbón, y descubrieron que en condiciones de concentración equivalentes con una presión inicial igual a la presión atmosférica para el polvo de carbón y CH4, mayor Cuanto mayor sea la presión inicial del gas combustible, mayor será la presión máxima de explosión y la tasa de aumento de presión. Shirvill et al.31 descubrieron que añadir menos del 25% de H2 en volumen a la red de gas no aumenta significativamente la intensidad de las explosiones de metano. Jiao et al.32 establecieron una relación entre la sobrepresión y la temperatura durante las explosiones de túneles, obteniendo una distribución relativamente fiable de la temperatura del aire en el túnel en función de la distancia de propagación poco después de la explosión. Esto proporcionó una dirección para estudiar la relación entre temperatura y presión durante el proceso de explosión. Tran et al.33 utilizaron ANSYS Fluent para crear un modelo geométrico cilíndrico tridimensional, simulando las características de las explosiones de CH4 y concluyendo que la presión máxima de explosión se produce cuando la relación de equivalencia de la mezcla CH4-aire es 1,2, y añadiendo H2 a la La mezcla de combustible aumentará la presión máxima de explosión.

En resumen, la investigación actual sobre las características de la temperatura durante las explosiones de metano se centra principalmente en simulaciones numéricas, con relativamente menos estudios sobre las características de la temperatura de la explosión y las interacciones entre la temperatura y la presión bajo diferentes concentraciones iniciales de metano. Para abordar esto, este artículo investiga experimentalmente las variaciones de temperatura durante el proceso de explosión y las interacciones entre temperatura y presión bajo diferentes concentraciones iniciales de metano. Los hallazgos contribuyen a la comprensión teórica de los mecanismos detrás de las variaciones de temperatura durante las explosiones de metano, mejorando así las estrategias para la prevención y el control de desastres por explosiones de gas. Además, una comprensión más profunda de los mecanismos de interacción entre temperatura, presión y llama durante una explosión de metano puede proporcionar una base teórica para planificar operaciones de escape y rescate durante incidentes de explosión de gas.

El sistema experimental de explosión comprende tres módulos principales: un módulo de explosión esférico de 20 L, un módulo de distribución y suministro de gas y un módulo de adquisición de datos, como se ilustra en la Fig. 1. El experimento se lleva a cabo dentro de un sistema de explosión esférico de 20 L que utiliza un generador eléctrico. Encendido por chispa con una energía de 10 J. La señal de encendido se transmite a través de un ordenador y un transmisor de señales al generador de energía de encendido, que posteriormente detona la mezcla de gases. Este aparato está diseñado específicamente para estudiar las propiedades explosivas de los gases en cuanto a temperatura, presión y evolución de la llama en condiciones controladas. El dispositivo consta de un recipiente esférico que contiene una mezcla de gases que, cuando se enciende, provoca una explosión. La forma esférica del recipiente permite una distribución uniforme de presión y temperatura durante la explosión, lo que lo convierte en una herramienta ideal para examinar los efectos de las explosiones de gas.

Sistema de prueba de explosión esférico de 20 L. (a) Diagrama esquemático. (b) configuración del aparato.

El módulo de explosión esférico de 20 L está construido con un material de acero inoxidable y el recipiente está diseñado para soportar una presión de 4 MPa con un espesor de 20 mm. Este diseño garantiza la resistencia y la integridad necesarias del recipiente durante el experimento.

El módulo de suministro y distribución de gas consta principalmente de válvulas solenoides, sensores de presión de distribución de gas y sensores láser de concentración de CH4. La concentración de CH4 se estima inicialmente mediante el método de dosificación de presión y luego se ajusta con la ayuda de sensores láser de concentración de CH4. Estos sensores pueden calibrar con precisión la concentración de CH4 dentro del recipiente con una precisión del 0,1%.

El módulo de adquisición de datos comprende sensores de prueba y un sistema de prueba de señales transitorias. Los sensores de prueba incluyen sensores de temperatura, presión y llama, como se muestra en la Fig. 1b. El sensor de temperatura se coloca a 103 mm de la pared esférica del recipiente, con una precisión de 0,1 K y una respuesta de frecuencia de 5 kHz. Su tiempo de respuesta está en el rango de milisegundos, lo que garantiza lecturas rápidas y oportunas. Con un rango de medición de 273 a 2373 K, este sensor es capaz de proporcionar mediciones precisas de temperatura durante la explosión. El sensor de presión es un sensor de presión dinámico de alta frecuencia de la serie CYG400 (frecuencia inherente 200 kHz), que determina con precisión la señal de presión durante todo el proceso de explosión y mide la presión dentro del recipiente. Su rango de medición es de 0 a 2 MPa, y todas las mediciones de presión tomadas son presiones relativas. El sensor de llama es del tipo CKG100 con un tiempo de respuesta de ≤ 10 μs, capaz de capturar la llama dentro del recipiente de explosión y utilizar el canal de recolección de señal de llama como canal de activación interno. Al recibir la señal de llama, que es cuando el sistema de prueba recibe una señal de alto nivel, el sensor activa los sensores de temperatura, presión y llama para recopilar, analizar y almacenar simultáneamente datos experimentales en el recipiente de explosión después de procesarlos mediante la señal transitoria. sistema de prueba. Es importante tener en cuenta que los sensores de temperatura, presión y llama utilizados en nuestros experimentos fueron calibrados en fábrica antes de su uso. Esto garantiza la confiabilidad y precisión de nuestras mediciones, proporcionando una base sólida para nuestro análisis de datos.

Inicialmente, el recipiente esférico se evacuó a 0,05 MPa. Posteriormente, se introdujo la cantidad requerida de gas CH4 en el recipiente utilizando el método de dosificación de presión parcial. Se empleó un compresor para inyectar aire, asegurando que la presión de la mezcla CH4/aire alcanzara 0,15 MPa. Después de un período de descanso de 15 minutos, el orificio de escape del recipiente se conectó a un medidor de flujo de gas y a un sensor láser de concentración de CH4. El caudal de gas se ajustó hasta que se estabilizó en 200-300 ml/min y se midió la concentración de CH4 después de 2 min. Al agregar aire, la concentración de CH4 en el recipiente se ajustó hasta alcanzar el valor experimental deseado. Se descargó el exceso de mezcla de gases para mantener la presión dentro del recipiente a 0,12 MPa. Es importante señalar que el sensor láser de concentración de CH4 se calibró utilizando gas estándar para garantizar una precisión de medición del 0,1%.

Al preparar el experimento, se activó el interruptor de disparo, lo que activó secuencialmente la válvula solenoide, el generador de impulsos de alta presión y el instrumento de adquisición de datos para recopilar datos de temperatura, presión y llama del recipiente de explosión. Luego se empleó el electrodo de encendido para encender la combustión del gas, iniciando el proceso de explosión.

Después de cada conjunto experimental, se descargaron los productos de la combustión y se registraron y guardaron los datos. Además, los datos registrados se sometieron a un filtrado automático y un procesamiento de reducción de ruido para mejorar su precisión y confiabilidad. El gas en el recipiente se reemplazó de 2 a 3 veces y los experimentos posteriores se realizaron después de que la temperatura en el recipiente volviera a la temperatura ambiente. Las condiciones iniciales para los experimentos fueron temperatura ambiente, 0,12 MPa y un paso experimental del 0,5%. Es bien sabido que el límite inferior de explosión (LEL) y el límite superior de explosión (UEL) de una mezcla de metano y aire son 5,0% y 16,0% respectivamente. En este estudio, nos centramos específicamente en probar concentraciones dentro del rango del 5,5% al 14,0%.

Las explosiones de gas generan altas temperaturas que pueden tener consecuencias devastadoras34. En este estudio, se investigó experimentalmente la relación entre la temperatura de explosión y la concentración inicial de gas, como se ilustra en la Fig. 2. Como se anticipó, tanto la tasa de cambio de temperatura como la temperatura máxima de explosión variaron dependiendo de la concentración inicial de gas. Durante la explosión se observó un notable aumento de temperatura secundaria, particularmente en concentraciones cercanas al 9,5%, como se muestra en la Fig. 2b.

Variación de temperatura durante la explosión de gas bajo diferentes condiciones iniciales de concentración de gas.

Después de la ignición, hubo un retraso de 41 ms antes de que la temperatura aumentara bruscamente. La primera temperatura máxima de 909,22 K se alcanzó a 331 ms, luego disminuyó a 894,35 K a 450 ms, seguida de un segundo aumento a un pico de 937,66 K a 570 ms, y posteriormente disminuyó gradualmente. Este fenómeno puede atribuirse a que el sensor de prueba de temperatura de explosión está ubicado a 103 mm del centro del recipiente. El efecto de confinamiento del recipiente de explosión y la presión, junto con otros factores, hacen que la llama en el recipiente de 20 L oscile y se superponga, lo que resulta en un aumento de temperatura secundario. El espacio cerrado, como la pared del recipiente, ejerce un efecto restrictivo sobre la explosión, lo que enfatiza la importancia de prevenir quemaduras a alta temperatura cerca de las paredes del túnel y extremos cerrados en escenarios reales de explosión de gas.

La temperatura máxima de explosión se refiere a la temperatura más alta alcanzada durante una explosión en una concentración de gas específica. La Figura 3 presenta los resultados de una investigación sobre las variaciones de las temperaturas máximas de explosión para diferentes concentraciones iniciales de gas dentro del límite de explosión. Los resultados revelan un fenómeno oscilatorio de la temperatura máxima de explosión en relación con la concentración inicial de gas dentro del límite de explosión. La tendencia muestra un patrón de aumento-disminución-aumento-disminución-aumento-disminución a medida que aumenta la concentración inicial de gas. En particular, se observan valores extremos en concentraciones iniciales de gas del 6,5%, 9,5% y 12%, con la temperatura de explosión más alta de 1154,4 K alcanzada en el 12%.

Temperatura máxima de explosión del gas en diferentes condiciones iniciales de concentración del gas.

La variación observada en la temperatura máxima de explosión con cambios en la concentración inicial del gas puede atribuirse a la naturaleza de la energía liberada durante la explosión del gas. La liberación de energía durante la explosión de gas se produce principalmente en forma de expansión del gas y calor35. En el experimento actual, la energía existe predominantemente en el gas de expansión a alta presión, el ambiente de alta temperatura, los productos de reacción y la transferencia de calor. La energía de la reacción antes de la explosión varía con la concentración inicial de gas, y el ambiente de alta temperatura generado durante la explosión representa una de las formas en que se libera energía del proceso de explosión.

La Figura 3 revela que la presión de explosión más alta se genera con una concentración de gas del 9,5%, lo que indica que el proceso de explosión en forma de expansión del gas libera más energía que con concentraciones de gas del 6% y el 12%. Esto da como resultado temperaturas ligeramente más bajas en concentraciones de gas equivalentes en comparación con los dos últimos. Para una concentración de gas inicial del 12%, la cantidad de metano involucrada en la reacción conduce a una mayor cantidad total de energía liberada durante la explosión en comparación con el 6%, lo que resulta en una mayor energía almacenada en forma de temperatura durante la explosión de gas del 12%. proceso. Además, debido a la influencia de las diferentes duraciones de llama del proceso de explosión de gas, la temperatura de explosión más alta exhibe un patrón de oscilación complejo con cambios en la concentración inicial de gas.

La evolución de la sobrepresión durante las explosiones de gas se investigó en diferentes condiciones iniciales de concentración de gas, y los resultados se presentan en la Fig. 4. Se puede observar que la sobrepresión experimentada durante la explosión en diferentes condiciones iniciales de concentración de gas sigue una tendencia similar, en la que inicialmente aumenta y posteriormente disminuye. Sin embargo, se observó que el proceso de aumento y caída de presión durante la explosión de gas cerca del 9,5% de concentraciones iniciales de gas se produjo más rápidamente. La Figura 5 muestra la sobrepresión máxima de explosión y el tiempo correspondiente a diferentes concentraciones iniciales de gas que van del 5,5 al 14,5%. Se observa que la presión máxima de explosión disminuye a medida que la concentración inicial de gas aumenta del 5,5 al 6,5%, con un ligero aumento del 7,0% seguido de un aumento gradual hasta el 9,5%, que alcanza el valor máximo de 0,899 MPa. Posteriormente se produce una disminución de la presión máxima de explosión en el 10,0% y luego un patrón oscilante entre el 10,5 y el 13,5%, con una fuerte disminución en el 14,0% y el 14,5%. La sobrepresión máxima parece ajustarse a la ecuación \(y=-0.70996+\frac{1.78584}{{e}^{2*{(\frac{x-9.50284}{7.71847})}^{2}}}\) , con el coeficiente de ajuste R2 > 0,9.

Evolución de sobrepresión durante una explosión de gas en diferentes condiciones iniciales de concentración de gas.

Sobrepresión máxima de explosión de gas en diferentes condiciones iniciales de concentración de gas.

Las señales de llama se pueden recopilar a través de un sensor de llama, que detecta señales de voltaje. La presencia de una señal de voltaje indica la existencia de una llama. La señal de voltaje se utiliza para estudiar la presencia, ausencia y duración de la llama. Como se muestra en la (Fig. 6), la duración de la llama durante las explosiones varía para diferentes concentraciones iniciales de gas. Las duraciones de llama más cortas se observan cuando las concentraciones iniciales de gas son del 9%, 10% y 11%, y la duración permanece relativamente constante en estas concentraciones. Por el contrario, se observan duraciones de llama más largas cuando las concentraciones iniciales de gas están en UEL y LEL, que corresponden a temperaturas más altas en el tanque. Además, la duración de la llama durante la explosión difiere de la de concentraciones del 9,5%. Específicamente, cuando la concentración inicial de gas está cerca del límite superior de explosión, la duración de la llama durante la explosión puede ser hasta 1,84 veces mayor que con una concentración del 9,5%.

Duración de la llama de la explosión de gas en diferentes condiciones iniciales de concentración de gas.

Cuando la concentración inicial de gas es cercana al 9,5%, la explosión ocurre al mismo tiempo que se capta la señal de la llama, cerca del UEL y LEL, el sensor de llama capta la señal de la llama después de un cierto período de tiempo antes de que se produzca una llama de explosión estable. existe. La imagen de señal de una llama típica se toma para estudiar el cambio en la llama durante la explosión de gas de baja concentración (5,5%), gas de concentración equivalente (9,5%) y gas de alta concentración (14%), como se muestra en la Fig. 7. Se descubrió que cuando la concentración inicial de gas era del 9,5%, la explosión se producía al mismo tiempo que se captaba la señal de la llama. Sin embargo, cerca de UEL y LEL, el sensor de llama captó la señal de llama y transcurrió un cierto tiempo antes de que apareciera una llama de explosión estable.

Señales de llama de explosión para una concentración de metano del 5,5%, 9,5% y 14,0%.

Cuando la concentración inicial de gas es cercana al 9,5%, la explosión se produce simultáneamente con la detección de la señal de llama. Cerca de UEL y LEL, el sensor de llama detecta la señal de llama después de un cierto período de tiempo antes de que exista una llama de explosión estable. La Figura 7 muestra una imagen de señal de llama típica para estudiar los cambios en la llama durante explosiones de gas de baja concentración (5,5%), gas de concentración equivalente (9,5%) y gas de alta concentración (14%).

El análisis de las imágenes de la señal de llama reveló que con una concentración de gas inicial del 5,5%, primero aparecen llamas intermitentes en el recipiente después de la ignición, lo que indica que la baja concentración de gas provoca una explosión inicial débil con una llama inestable. Sin embargo, después de un período, la temperatura y la presión de la explosión aumentan, lo que da como resultado una explosión estable con una duración de estabilidad de la llama de 1432 ms. Con una concentración inicial de gas del 9,5%, la explosión es más intensa y la llama aparece inmediatamente después de la ignición, con una duración de llama estable de 1232 ms. Por el contrario, a una concentración inicial de gas del 14%, la alta concentración de gas dificulta la ignición, provocando que el gas alrededor de la fuente de ignición se encienda primero y, después de un período, produzca una llama estable con una duración de estabilidad de la llama de 2189 ms.

La Figura 8 ilustra la correlación entre la llama de la explosión y la temperatura de explosión para una explosión de gas con una concentración de gas inicial del 9,5%. Es evidente que cuando aparece la señal de llama después de un cierto intervalo de tiempo (∆t), la temperatura en el recipiente comienza a aumentar, consistente con el fenómeno de retraso de temperatura discutido anteriormente. La temperatura más alta durante la explosión se alcanza mientras la llama está presente en el recipiente. Posteriormente, la llama se apaga una vez que la temperatura en el tanque desciende a 750 K.

La relación entre temperatura y llama durante la explosión de una concentración de gas del 9,5%.

El análisis sugiere que las altas concentraciones iniciales de gas dan como resultado una duración más prolongada de las llamas durante las explosiones, lo que provoca un mayor daño a las personas. Además de los efectos tóxicos de los gases posteriores a la explosión y la posibilidad de explosiones secundarias, el efecto de combustión prolongada en el cuerpo humano puede causar graves daños al personal. Por lo tanto, en las minas de carbón, prevenir altas concentraciones de explosiones de gas es crucial para mitigar los peligros que plantean las altas temperaturas. La implementación de medidas para monitorear y regular las concentraciones de gas en las minas puede ayudar a reducir la probabilidad de explosiones de gas y garantizar la seguridad de los mineros.

Comprender la relación entre la temperatura y la sobrepresión durante las explosiones de gas es crucial para comprender la dinámica del proceso de explosión y desarrollar medidas de seguridad efectivas. En este contexto, se analizaron la temperatura y la sobrepresión de una explosión de gas con una concentración del 9,5%, como se ilustra en la Fig. 9. Los resultados muestran que la presión alcanzó un máximo de 0,899 MPa durante 115 ms, mientras que la temperatura alcanzó su primer pico a 909,22 K durante 331 ms, con un intervalo de tiempo de pico de presión de t1 = 216 ms. Además, la temperatura alcanzó su punto máximo por segunda vez a 936,34 K durante 570 ms, con un intervalo de tiempo de pico de presión de t2 = 455 ms. En particular, el análisis demuestra que la onda de presión se propagó más rápido que la llama durante el proceso de explosión, lo que provocó que la temperatura alcanzara su primer pico más tarde que el tiempo máximo de la onda de presión.

La relación entre sobrepresión y temperatura en concentraciones de gas del 6,5%, 9,5% y 12,0%.

Además, cuando la onda de presión de la explosión alcanza la pared del recipiente, encuentra una fuerza inversa, lo que da como resultado su propagación inversa. Simultáneamente, la onda de combustión más lenta converge con la onda de propagación inversa, lo que hace que algunas de las ondas de combustión también se propaguen en la dirección opuesta. La superposición de las ondas de combustión directa e inversa conduce a un aumento adicional de la temperatura de la llama. Cabe señalar que este fenómeno puede ser peligroso, especialmente cuando la fuerza de la explosión es alta, ya que puede provocar un aumento secundario de la temperatura de explosión del gas.

Sin embargo, cuando la concentración de gas inicial está cerca del UEL y LEL, por ejemplo en 6,5% y 12%, como se muestra en la Fig. 9, no se observa ningún aumento secundario de temperatura durante la explosión. Se postula que la intensidad reducida de la explosión da como resultado una tasa de aumento de presión más lenta y un tiempo más largo para que la presión alcance su pico. En consecuencia, se debilita la capacidad de la onda de presión para propagarse en sentido inverso al llegar al tanque de explosión. Además, los intervalos de tiempo entre los picos de temperatura y los picos de presión, t3 y t4, son significativamente más cortos que t2, disminuyendo así la propagación inversa de la onda de llama. Como resultado, el fenómeno del calentamiento secundario durante el proceso de aumento de temperatura se debilita y, en algunos casos, es inexistente.

Este estudio ha investigado las características de explosión del gas premezclado de metano y aire y la influencia de la concentración inicial del gas en la temperatura de explosión, la sobrepresión y la evolución de la llama. Los hallazgos proporcionan información valiosa sobre la dinámica de las explosiones de gas y tienen implicaciones importantes para el desarrollo de medidas de seguridad eficaces. Las principales conclusiones de este estudio son las siguientes:

Las características de explosión del gas premezclado de metano y aire están fuertemente influenciadas por la concentración inicial del gas. La temperatura de explosión exhibe un patrón oscilatorio al aumentar la concentración de gas, con valores máximos que ocurren en concentraciones del 12% y 6,5%. La sobrepresión máxima sigue una tendencia inicial de ascenso y descenso y se puede modelar con una ecuación de ajuste \(y=-0.70996+\frac{1.78584}{{e}^{2*{(\frac{x-9.50284}{7.71847} )}^{2}}}\), lo que produce un fuerte coeficiente de determinación (R2 > 0,9).

La relación entre temperatura y sobrepresión durante las explosiones de gas revela las causas de los cambios de temperatura. La propagación de las ondas de presión es más rápida que la propagación de las llamas, lo que provoca un aumento secundario de la temperatura durante las explosiones fuertes. Cerca de la concentración de gas del 9,5%, la temperatura de explosión presenta dos picos a lo largo del tiempo. Sin embargo, cuando la concentración inicial de gas está cerca del UEL y LEL, el fenómeno de calentamiento secundario se debilita o es inexistente. Esto resalta la importancia de prevenir quemaduras a alta temperatura cerca de las paredes de los túneles y espacios cerrados en escenarios reales de explosión de gas.

Se emplearon sensores de llama para estudiar la presencia, ausencia y duración de las llamas, revelando que las altas concentraciones iniciales de gas conducían a una mayor duración de las llamas y a un mayor daño. Por lo tanto, monitorear y regular las concentraciones de gas en entornos potencialmente explosivos, como las minas de carbón, es esencial para mitigar los peligros que plantean las explosiones de gas y garantizar la seguridad del personal.

La intensidad de la explosión cerca de los límites de explosión se reduce debido a la influencia de la concentración inicial de gas, lo que lleva a un ritmo más lento de aumento de presión durante el proceso de explosión, un tiempo más largo para alcanzar el pico de presión y una capacidad debilitada de las ondas de presión para revertirse. propagarse después de llegar al tanque de explosión. Los intervalos de tiempo entre los picos de presión y temperatura durante el proceso de explosión son más pequeños, lo que disminuye la propagación inversa de la onda de llama y debilita el calentamiento secundario durante el proceso de aumento de temperatura, o incluso lo hace inexistente. El gas premezclado de metano y aire con una concentración de metano del 9,5% exhibe el efecto de explosión más intenso, generando ondas de presión más fuertes y una mayor velocidad de propagación de la llama.

Los conjuntos de datos generados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

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Esta investigación cuenta con el apoyo financiero del Proyecto de Fondo Abierto del Laboratorio Clave de Seguridad contra Incendios y Explosiones de Chongqing (LQ21KFJJ07), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (52174226), el Proyecto del Programa de Talentos de Chongqing (cstc2021ycjh-bgzxm0230), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de la Juventud de China. Proyecto Fondo (52104238).

Grupo de Ingeniería y Tecnología del Carbón de China Instituto de Investigación de Chongqing, Chongqing, 400037, China

Quansheng Jia, Rongjun Si, Lei Wang y Shaoqian Xue

Departamento de Petróleo, Petróleo y Lubricantes de la Academia de Logística del Ejército del EPL, Chongqing, 401331, China

Quansheng Jia y Lei Wang

Escuela de Ingeniería Civil, Minera, Ambiental y Arquitectónica, Universidad de Wollongong, Wollongong, NSW, 2522, Australia

Zhongbei Li

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QSJ y RJS concibieron y diseñaron los experimentos; QSJ, LW y SQX realizaron los experimentos; QSJ y ZBL analizaron los resultados, prepararon figuras y escribieron el texto principal del manuscrito; Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Rongjun Si o Zhongbei Li.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Jia, Q., Si, R., Wang, L. et al. Influencia de la concentración inicial de gas en las características de explosión de mezclas de aire y metano e implicaciones para la gestión de la seguridad. Informe científico 13, 13519 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40383-3

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Recibido: 01 de mayo de 2023

Aceptado: 09 de agosto de 2023

Publicado: 19 de agosto de 2023

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

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