Flammability limits modelling using a flame speed based method for pure fuels and mixtures

Flammability limit represents one of the most important parameter for prevention and major incidents’ consequences estimation, since nowadays almost all industrially used fluids are ignitable. Flammable range measuring has been widely discussed in literature, and several experimental apparatus like vertical tubes and spherical bombs allow flammability limit measuring. Nevertheless, the obtained estimation is always to initial conditions related, as both flammability limits depend on a great number of initial variables like temperature, pressure, mixture composition, ignition energy, vessel volume, shape and material as well as experimental uncertainties. This thesis aim is to model flammable range for pure fuels and mixture with a laminar flame speed based method. OpenSMOKE enables one to calculate the extinction burning speed with a planar, one-dimensional, laminar, steady flame model within which soot formation and radiation sub-models are included. The premise is the kinetic mechanisms capability to predict the fuels reactivity in different conditions, so a large flame speeds calculations validation of the schemes, provided by Politecnico di Milano, is performed and reported. The advantage of the method is a chemicals flammability properties estimation based only on their transport, thermodynamic and reactivity characteristics without taking into account any empirical formula. A wide comparison with flammability experimental data provided by Bureau of Mines and other authors such as Mashuga and Crowl, Zhao, Chang, Vanderstraeten, Egolfopoulos and Law demonstrates method applicability for several combustibles like hydrogen, methanol, methane, propane, butane, heptane, ethylene, benzene and some mixtures between the previous.

Il limite di infiammabilità rappresenta uno dei parametri più importanti per la prevenzione e la stima delle conseguenze di incidenti rilevanti, dal momento che gran parte dei fluidi, utilizzati nei processi industriali, è infiammabile. La misura dei limiti è stata ampiamente discussa in letteratura e diversi apparati sperimentali sono stati proposti, tra i quali il tubo verticale del Bureau of mines e la più recente bomba sferica di ASTM-E681. Tuttavia la stima che si ottiene è sempre relativa alle condizioni iniziali essendo i limiti dipendenti da un grande numero di variabili tra cui temperatura, pressione, composizione della miscela, energia di ignizione, volume, forma e materiale del reattore, nonché dall’incertezza sperimentale. Lo scopo di questa tesi è di modellare la misura del campo di infiammabilità di combustibili puri e miscele per diversi set di condizioni iniziali con il metodo della velocità di fiamma. Il calcolo della velocità di fiamma limite di spegnimento è effettuato tramite il software OpenSMOKE con un modello di fiamma planare, monodimensionale, laminare e stazionaria all’interno del quale sono inseriti il modello di formazione del particolato carbonioso e di irraggiamento per la stima delle dispersioni termiche. La premessa, verificata tramite ampia validazione dei modelli, è che la reattività dei combustibili, prevista dagli schemi cinetici forniti dal Politecnico di Milano, sia rappresentativa di quella reale. Il vantaggio di tale metodo è la capacità di stimare l’infiammabilità delle sostanze partendo dalle loro stesse proprietà termodinamiche, reattive e di trasporto evitando l’uso di empirismi. L’applicabilità del metodo viene dimostrata attraverso un’ampio confronto con i dati sperimentali forniti dal Bureau of Mines ed altri autori quali Mashuga and Crowl, Zhao, Chang, Vanderstraeten, Egolfopoulos and Law per una vasta gamma di combustibili tra cui idrogeno, metanolo, metano, propano, butano, eptano, etilene, benzene ed alcune miscele tra questi.