Consortional main: Development of combustion mechanisms based on both direct and bulk measurements  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
84054
Type K
Principal investigator Turányi, Tamás
Title in Hungarian Konzorcium, fő p.: Égési mechanizmusok fejlesztése közvetlen és közvetett mérések alapján
Title in English Consortional main: Development of combustion mechanisms based on both direct and bulk measurements
Keywords in Hungarian reakciókinetika, részletes reakciómechanizmus, égéskémia, paraméterbecslés
Keywords in English reaction kinetics, detailed reaction mechanism, combustion chemistry, parameter estimation
Discipline
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Physical chemistry
Panel Chemistry 1
Department or equivalent Institute of Chemistry (Eötvös Loránd University)
Participants Bruck, József
Busai, Ágota
Pálvölgyi, Róbert
Pálvölgyi, Róbert
Valkó, Éva
Zsély, István Gyula
Starting date 2011-07-01
Closing date 2016-06-30
Funding (in million HUF) 24.341
FTE (full time equivalent) 8.82
state closed project
Summary in Hungarian
A H2-CO-levegő gázelegyek égését pontosan leíró részletes reakciómechanizmusok felhasználhatók a szintézisgázzal működtetett gázturbinák továbbfejlesztésére. A számítógéppel segített tervezési (CAD) módszerek felhasználásával javítható a gázturbinák hatékonysága és csökkenthető a kibocsátott szennyezőanyagok mennyisége. A szokásos módszer szerint az égési mechanizmusok sebességi paramétereit az egyes reakclólépések sebességi együtthatóinak meghatározására kifejlesztett ún. közvetlen mérésekkel határozzák meg, míg a reakciómechanizmusokat úgy vizsgálják, hogy a közvetett mérések eredményét hasonlítják össze a megfelelő szimulációk eredményével. Az ilyen közvetett mérésekben például gyulladási időt, lángsebességet, vagy időbeni illetve térbeli koncentrációprofilokat határoznak meg különféle reakciókörülményeknél. A elmúlt évtizedekben kifejtett jelentős kutatási erőfeszítések ellenére a mostani legkorszerűbb reakciómechanizmusokban is a sebességi együtthatók bizonytalansága nagy (jellemzően 30%-50%) és a mechanizmusokkal kapott szimulációs eredmények gyakran rosszul közelítik a közvetett kísérletek eredményeit. A kutatómunka során meghatározzuk a hidrogén-levegő és hidrogén-CO-levegő gázelegyek legfontosabb reakciólépéseihez tartozó A, n, E Arrhenius paramétereket úgy, hogy egyszerre használjuk fel a közvetlen és közvetett mérések eredményét. A várható eredmény nem csak egy megbízhatóbb részletes reakciómechanizmus a H2-CO-levegő gázelegyek égésének leírására, de meghatározzuk a kritikus sebességi paraméterek bizonytalanságát is.
Summary
Detailed reaction mechanisms that quantitatively describe the combustion of hydrogen-CO-air mixtures are applicable for the optimization gas turbines operated with syngas. The computer aided design (CAD) of gas turbines allows the improvement of the fuel efficiency and the decrease of the emission of pollutants. Traditionally, rate parameters of combustion mechanisms are determined in direct measurements and the mechanisms are tested on the results of bulk experiments. In these bulk experiments, flame velocity, time-to-ignition or spatial/temporal species profiles are determined at various experimental conditions. Despite the huge efforts of the gas kinetics community in the last decades, the rate parameters of the current mechanisms have large uncertainty (typically 30% to 50%) and therefore the simulation results frequently do not reproduce well the results of bulk experiments. The aims of the project include the determination of Arrhenius parameters A, n, E of all important reactions in the hydrogen-air and wet CO-air mixtures using the experimental data for both the direct and bulk measurements. The expected outcome is not only a more reliable detailed mechanism for the combustion of hydrogen-CO-air mixtures, but also a good characterization of the uncertainties of the critical rate parameters.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Egy új reakciómechanizmus-optimalizációs módszert dolgoztunk ki, amelynek fő tulajdonságai a következők: nagy számú közvetlen és közvetett mérési adatot használunk; a fontos reakciók mindhárom (A, n, E) Arrhenius-paraméterét illesztjük; új algoritmust fejlesztettünk ki a globális paraméterbecslésre; becsüljük az illesztett sebességi paraméterek együttes bizonytalanságát irodalmi adatok alapján. Összegyűjtöttük, digitalizáltuk és egy adatbázisban közreadtuk csaknem az összes mérési adatot a hidrogén és szintézisgáz égésének vizsgálatára. Egy új reakciómechanizmust hoztunk létre a hidrogén és szintézisgáz égésének leírására, amely jobbnak bizonyult, mint az összes eddig közölt mechanizmus. Egy továbbfejlesztett HDMR globális érzékenységanalízis módszert hoztunk létre, amely alkalmas korrelált sebességi paraméterekkel jellemezhető reakciómechanizmusok vizsgálatára. A ReactionKinetics nevű új programcsomaggal homogén reakciórendszerek vizsgálhatók. A program számítja a mechanizmusok strukturális jellemzőit, és képes determinisztikus és sztochasztikus szimulációkra. A programmal összehasonlítottuk a hidrogén, a szintézisgáz és a metanol égése több tucat reakciómechanizmusát. Új megközelítéseket dolgoztunk ki a reakciókinetikai modellezés olyan területein, mint az inverz feladatok, első integrálok, részletes kiegyensulyozottság, operátorhasítás, hiszterézis, káosz és vezérelhetőség.
Results in English
A new mechanism optimization methodology was developed with the following main features: large number of direct and indirect (“bulk”) experimental data is used; all Arrhenius parameters (A, n, E) of the important reactions are optimized; a new algorithm is used for global parameter estimation; the joint uncertainty of the rate parameters is determined. Almost all indirect experimental data ever published related to hydrogen and syngas combustion systems were collected, encoded and published in a database. A new hydrogen and syngas combustion mechanism was created and it proved to be better than all previously published mechanisms. An extended HDMR global uncertainty analysis method was developed to investigate mechanisms with correlated rate parameters. A program package called ReactionKinetics was developed to study homogeneus reaction systems. It calculates structural characteristics of the mechanisms, and simulates deterministic and stochastic models. A few dozen reaction mechanisms of the combustion of hydrogen, carbon monoxide and methanol were compared using this program. New approaches of chemical kinetic modelling have been developed in areas like inverse problems, first integrals, detailed balance, splitting, hysteresis, chaos, and controllability.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=84054
Decision
Yes





 

List of publications

  
T. Turányi, Z. Tóth: Hungarian university students’ misunderstandings in thermodynamics and chemical kinetics, Chemistry Education Research and Practice, 14, 105-116, 2013
Bazsó G., Góbi S. Magyarfalvi G., Zügner G., Demeter A., Turányi T., Dóbé S., Tarczay Gy.: Az ELTE TTK Lézerlaboratóriuma: Első eredmények és kutatási perspektívák, Magyar Kémiai Folyóirat, 118, 65-71, 2012
Turányi T, Zsély I.Gy., Nagy T, Varga T., Pálvölgyi R.: Reakciósebességi paraméterek meghatározása közvetlen és közvetett mérések együttes felhasználásával, Magyar Kémiai Folyóirat, 118, 129-136, 2012
I.Gy. Zsély, C. Olm, R. Pálvölgyi, T. Varga, T. Nagy, T. Turányi: Comparison of the performance of several recent hydrogen combustion mechanisms, Proceedings of the European Combustion Meeting 2013, Paper P4-13. ISBN 978-91-637-2151-9., 2013
C. Olm, I. Gy. Zsély, T. Varga, T. Nagy, T. Turányi: Comparison of the performance of several recent wet CO combustion mechanisms, Proceedings of the European Combustion Meeting 2013, Paper P5-2. ISBN 978-91-637-2151-9, 2013
T. Nagy, C. Olm, I. Gy. Zsély, T. Varga, R. Pálvölgyi, É. Valkó, G. Vincze, T. Turányi: Optimisation of a hydrogen combustion mechanism, Proceedings of the European Combustion Meeting 2013, Paper P4-14. ISBN 978-91-637-2151-9., 2013
A.S. Tomlin, T. Turányi: Investigation and improvement of reaction mechanisms using sensitivity analysis and optimization, Chapter 16 in: Development of detailed chemical kinetic models for cleaner combustion, Springer, Heidelberg, 2013
A.S. Tomlin, T. Turányi: Mechanism reduction to skeletal form and species lumping, Chapter 17 in: Development of detailed chemical kinetic models for cleaner combustion, Springer, Heidelberg, 2013
T. Turányi, A.S. Tomlin: Storage of chemical kinetic information, Chapter 19 in: Development of detailed chemical kinetic models for cleaner combustion, Springer, Heidelberg, 2013
B. Könnyű, S. K. Sadiq, T. Turányi, R. Hírmondó, B. Müller, H-G Kräusslich, P. V. Coveney, V. Müller: Gag-Pol Processing during HIV-1 Virion Maturation: a Systems Biology Approach, PLoS Comput. Biol., 9(6): e1003103. doi:10.1371/journal.pcbi.1003103, 2013
Bányai István, Gáspár Vilmos, Horváthné Csajbók Éva, Kiss Éva, Nagy Noémi, Póta György, Purgel Mihály, Turányi Tamás, Viskolcz Béla: Modern fizikai kémia, Debrecen-Budapest-Szeged,, 2013
Ladics, T.: Application of Operator Splitting to Solve Reaction-Diffusion Equations, EJQTDE 9, 1–20, 2012
Ladics, T., Faragó, I.: Generalizations and error analysis of the iterative operator splitting method, Centr. Eur. J. Math. 11 (8), 1416–1428, 2013
Nagy, A. L. Papp, D.,Tóth, J.: ReactionKinetics – A Mathematica Package with Applications, Chem. Eng. Sci., 83, 12–23., 2012
Nagy, I., Tóth, J.: Microscopic reversibility or detailed balance in ion channel models, Journal of Mathematical Chemistry, 50 (5), 1179–1199, 2012
Nagy, I., Tóth, J.: Quadratic First Integrals of Kinetic Differential Equations, Journal of Mathematical Chemistry, 2013
Szili, L., Tóth J.: Partial fraction decomposition of some meromorphic functions, Ann. Univ. Sci. Budapest, Sect. Comp. 38, 93–108, 2012
Drexler D. A.:: Polinomiális rendszerek analízise és irányítása, Diplomamunka, BME, Budapest, 2014
T. Varga, I. Gy. Zsély, T. Turányi, T. Bentz, M. Olzmann: Kinetic analysis of ethyl iodide pyrolysis based on shock tube measurements, Int.J.Chem.Kinet., 46, 295–304 (2014), 2014
C. Olm, I. Gy. Zsély, R. Pálvölgyi, T. Varga, T. Nagy, H. J. Curran, T. Turányi: Comparison of the performance of several recent hydrogen combustion mechanisms, Combust. Flame, DOI: 10.1016/j.combustflame.2014.03.006, 2014
T. Varga, T. Nagy, C. Olm, I.Gy. Zsély, R. Pálvölgyi, É. Valkó, G. Vincze, M. Cserháti, H.J. Curran, T. Turányi: Optimization of a hydrogen combustion mechanism using both direct and indirect measurements, Proc. Combust. Inst., DOI: 10.1016/j.proci.2014.06.071, 2014
Busai Á.:: Reakciókinetikai modellek vizsgálata és alkalmazásaik, Diplomamunka, BME, Budapest, 2014
Szekeres András:: Termodinamikai rendszerek modellezése, Diplomamunka, BME, Budapest, 2014
T. Varga, I. Gy. Zsély, T. Turányi, T. Bentz, M. Olzmann: Kinetic analysis of ethyl iodide pyrolysis based on shock tube measurements, Int.J.Chem.Kinet., 46, 295–304, 2014
C. Olm, I. Gy. Zsély, R. Pálvölgyi, T. Varga, T. Nagy, H. J. Curran, T. Turányi: Comparison of the performance of several recent hydrogen combustion mechanisms, Combust. Flame, 161, 2219-2234, 2014
T. Nagy, É. Valkó, I. Sedyó, I. Gy. Zsély, M. J. Pilling, T. Turányi: Uncertainty of the rate parameters of several important elementary reactions of the H2 and syngas combustion systems, Combust. Flame, 162, 2059-2076, 2015
T. Varga, T. Nagy, C. Olm, I.Gy. Zsély, R. Pálvölgyi, É. Valkó, G. Vincze, M. Cserháti, H.J. Curran, T. Turányi: Optimization of a hydrogen combustion mechanism using both direct and indirect measurements, Proc. Combust. Inst., 35, 589-596, 2015
T. Turányi, A. S. Tomlin: Analysis of kinetic reaction mechanisms, Springer, 2014
C. Olm, I. Gy. Zsély, T. Varga, H. J. Curran, T. Turányi: Comparison of the performance of several recent syngas combustion mechanisms, Combust. Flame, 162, 1793-1812, 2015
T. Varga, T. Turányi, E. Czinki, T. Furtenbacher, A. G. Császár: ReSpecTh: a joint reaction kinetics, spectroscopy, and thermodynamics information system, Proceedings of the European Combustion Meeting – 2015, Paper P1-04, ISBN 978-963-12-1257-0, 2015
É. Valkó, A. S. Tomlin, T. Varga, T. Turányi: Investigation of the effect of correlated uncertain rate parameters on a model of hydrogen combustion using a generalized HDMR method, Proceedings of the European Combustion Meeting – 2015, Paper P1-39, ISBN 978-963-12-1257-0, 2015
Ladics, T.: Error analysis of waveform relaxation method for semi-linear partial differential equations, Journal of Computational and Applied Mathematics 285: 15–31., 2015
Tóth, J., Nagy, A. L., Zsély, I. Gy.: Structural analysis of combustion mechanisms, J. Math. Chem. 53, 86–110, 2015
Ladics Tamás: Error analysis of operator splitting methods with application to reaction-diffusion problems, PhD értekezés, BME, 2015
Takács Bálint Máté: Kémiai reakciók gráfelméleti kezeléséről, BSc szakdolgozat, BME, 2015
Virágh Eszter: Kémiai reakciók irányíthatósága hőmérséklet-szabályozás segítségével, BSc szakdolgozat, BME, 2015
Csikja Rudolf: Singularity Analysis of Polynomial Differential Equations, előadás, 1. MÉB Égéstudományi Konferencia, Budapest, 2014. október 28., 2014
Csikja, R.: Singularity Analysis of Non-Isothermal Reactions, poszter, 7th European Combustion Meeting, Budapest, 30th March–2nd April, 2015., 2015
Nagy, A. L., Takács, B., Tóth, J.: ReactionKinetics -- Theorems, Developments and Applications, poszter, 7th European Combustion Meeting, Budapest, 30th March–2nd April, 2015., 2015
Tóth, J: On the form of kinetic differential equations, plenáris előadás, Workshop on Mathematical Trends in Reaction Network Theory, July 1–3, 2015, Copenhagen, Denmark, 2015
Tóth J., Nagy A. L., Zsély I. Gy.: Égésmodellek szerkezeti elemzése, előadás, 1. MÉB Égéstudományi Konferencia, Budapest, 2014. október 28., 2014
Tóth, J.: Kell-e tudnunk, hogy honnan jöttünk?, Simonovits András 70, 2016
Tóth, J., Nagy, A. L., Zsély, I. Gy.: Structural analysis of combustion mechanisms, Journal of Mathematical Chemistry, 53, 86–110, 2015
V. Antonov, D. Dolicanin, V. G. Romanovski, J.: Tóth: Invariant Planes and Periodic Oscillations in the May–Leonard Asymmetric Model, MATCH. Communications in Mathematical and Computer Chemistry 76.2: 455-474, 2016
D. A. Drexler, J. Tóth: Global controllability of chemical reactions, Journal of Mathematical Chemistry 54, 1327-1350, 2016
E Gyurkovics, K Kiss, I Nagy, T Takács: Multiple summation inequalities and their application to stability analysis of discrete-time delay systems, Journal of the Franklin Institute, in press, available on line, 2016
Kalmár-Nagy, T., , Csikja R., Elgohary, T. A.: Nonlinear analysis of a 2-DOF piecewise linear aeroelastic system, Nonlinear Dyn. 85, 739-750, 2016
T Ladics: Convergence of operator splittings for locally Lipschitz-continuous operators in Banach spaces, Computers & Mathematics with Applications 71, 57-75, 2016
Südy Barbara: Jégkorongcsapat összeállításának valós idejű optimalizálása adatbányászati eszközök segítségével, Alkalmazott Matematikai Lapok 32, 41-61, 2015
Takács Bálint: A fluxusgráfok és a Feinberg–Horn–Jackson-gráf kapcsolatáról, Studia Ignatiana VII. A Szent Ignác Jezsuita Szakkollégium hallgatóinak tanulmányai (szerk. Pintér Melinda, Tamás Réka, fk. dr. Feledy Botond), pp. 149–160., 2015
Südy Barbara: Real-time optimization using time series data, BME BSc szakdolgozat, 2015
Zsámboki Bettina: Adott tulajdonságú indukáló reakciók keresése szimbolikus és numerikus módszerekkel kinetikai differenciálegyenletekhez, BME BSc szakdolgozat, 2016
Virágh Eszter: Kémiai reakciók irányíthatósága hőmérséklet-szabályozás segítségével, BME BSc szakdolgozat, 2016
É. Valkó, T. Varga, A.S. Tomlin, Á. Busai, T. Turányi: Általánosított HDMR-módszer alkalmazása korrelált bizonytalan paraméterek hatásának vizsgálatára, Alkalmazott Matematikai Lapok, in press, 2017
É. Valkó, T. Varga, A.S. Tomlin, T. Turányi: Investigation of the effect of correlated uncertain rate parameters on a model of hydrogen combustion using a generalized HDMR method, Proc. Combust. Inst., in press (2017) DOI: 10.1016/j.proci.2016.07.061, 2017
T. Varga, C. Olm, T. Nagy, I. Gy. Zsély, É. Valkó, R. Pálvölgyi, H. J. Curran, T. Turányi: Development of a joint hydrogen and syngas combustion mechanism based on an optimization approach, Int.J.Chem.Kinet., 48, 407–422 (2016), 2016
T. Turányi, T. Nagy, I. GY. Zsély, M. Cserháti, T. Varga, B. T. Szabó, I. Sedyó, P. T. Kiss, A. Zempléni, H. J. Curran: Determination of Rate Parameters Based on Both Direct and Indirect Measurements, Int. J. Chem. Kinet., 44, 284–302, (2012), 2012




 

Events of the project

  
2015-01-06 15:59:12
Résztvevők változása
2013-10-28 13:52:28
Résztvevők változása
2012-10-30 15:23:08
Résztvevők változása
2012-09-20 09:02:19
Résztvevők változása



Back »