Influência da concentração inicial do gás no metano

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13519 (2023) Citar este artigo

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As explosões de gás, especialmente as que envolvem misturas de metano e ar, apresentam riscos consideráveis ​​em espaços confinados, como as minas de carvão. Compreender as características da explosão e suas correlações com as concentrações iniciais de gás é vital para a elaboração de medidas de segurança eficazes. Este estudo examina a influência da concentração inicial do gás na temperatura de explosão, sobrepressão e evolução da chama em explosões de gás pré-misturado metano-ar, utilizando um aparelho experimental de explosão esférica de 20 L personalizado. As temperaturas de explosão apresentam um padrão oscilatório, atingindo valores máximos em concentrações iniciais de gás de 6,5%, 9,5% e 12%, com temperaturas correspondentes de 995 K, 932 K e 1153 K. A sobrepressão máxima exibe uma tendência inicial de aumento e queda, modelado por uma função exponencial. Notavelmente, próximo à concentração de 9,5%, a onda de pressão promove a propagação reversa da onda de chama, levando a um aumento secundário de temperatura. Sensores de chama foram empregados para investigar a presença, ausência e duração das chamas, demonstrando que concentrações iniciais elevadas de gás resultaram em durações de chama mais prolongadas e aumento de danos. A uma concentração inicial de gás de 9,5%, uma chama persistente é gerada instantaneamente durante a explosão. Além disso, o estudo analisa a interação entre temperatura e sobrepressão, ressaltando a importância de mitigar queimaduras de alta temperatura perto de paredes de túneis e espaços fechados. Estas descobertas avançam a compreensão da dinâmica das explosões de gás e têm implicações substanciais para as medidas de segurança nas minas de carvão.

As explosões de gás metano são um grande perigo nas minas de carvão, levando a consequências significativas, incluindo perdas económicas para as empresas carboníferas, vítimas humanas, danos ambientais e prejudicando gravemente a produção da indústria do carvão1,2. Explosões de gás liberam uma imensa quantidade de energia instantaneamente, resultando em um ambiente de alta temperatura. Nas minas subterrâneas de carvão, as explosões ocorrem normalmente em túneis de escavação e faces de mineração, onde fatores ambientais impedem a fácil dissipação da energia da explosão, causando altas temperaturas sustentadas nos túneis e apresentando riscos consideráveis ​​ao pessoal e aos equipamentos3,4,5,6,7. A concentração inicial de metano influencia o pico de temperatura e a duração da explosão. A investigação dos efeitos das variações das concentrações iniciais de metano nas características de temperatura durante o processo de explosão pode ajudar a fornecer uma base teórica crucial para a compreensão das características de temperatura em explosões de metano em minas de carvão, evitando assim os riscos representados pelas explosões de gás8,9,10,11.

Em 1967, Olsen12 derivou pela primeira vez uma expressão para a temperatura de explosão através de pesquisas teóricas. Acadêmicos de todo o mundo agora usam softwares de simulação numérica como FLACS13,14, FLUENT15,16, AutoReaGas17,18 e CHEMKIN19 para estudar temperaturas de explosão de metano ou estabelecer equações físicas matemáticas específicas para explorar regras de variação de temperatura sob volume fixo ou condições de propagação de tubulação20. Alguns pesquisadores também simularam regras de variação de temperatura para explosões de metano em espaços confinados, lançando as bases para estudos de temperatura de explosão de metano21. No entanto, a maioria das simulações são conduzidas sob condições isotérmicas ou adiabáticas, levando a discrepâncias com os dados experimentais reais e impedindo simulações precisas de mudanças de temperatura durante explosões reais de metano.

Sob condições experimentais, Wang e He22 usaram sinais de tensão para representar a temperatura, revelando a tendência de mudança de temperatura das explosões de metano à medida que se propagam através dos oleodutos. Pesquisadores subsequentes estudaram variações de temperatura em diferentes posições durante a propagação da tubulação, descobrindo que a temperatura da chama na parte superior da tubulação é maior do que na parte inferior23,24. Cui et al.25 usaram microtermopares tipo R para examinar as variações de temperatura de explosões de metano em tubulações de pequena escala. Li et al.26 empregaram termopares C2-7-K e C2-1-K para investigar variações de temperatura durante a propagação da explosão, com a temperatura mais alta registrada atingindo 1292,27 K. Liu et al.27 analisaram a relação entre a propagação da chama e a temperatura durante a tubulação explosões, descobrindo que o aumento das temperaturas promove a propagação das chamas. Nie et al.28 empregaram um método de radiação de campo de temperatura bidimensional para estudar as variações de temperatura ao redor da chama da explosão, descobrindo que a temperatura na frente da chama inicialmente aumenta acentuadamente, depois diminui e finalmente diminui após atingir seu pico.