Водород — самый легкий, простой и наиболее распространенный химический элемент. Он составляет около 75% массы Вселенной и, вероятно, станет источником энергии будущего. Во время его сжигания образуется вода и выделяется большое количество энергии, при этом нет выбросов углекислого газа или других вредных веществ. Водородная энергетика считается экологически чистой. При транспортировке газа, в том числе и водорода, возникает повышенный шум на газораспределительных станциях. Он вредит органам слуха и негативно влияет на работу оборудования. Ученые Пермского Политеха изучили поведение звуковых волн во время течения водорода по трубам и протестировали перегородки из разного материала. Результаты исследования помогут снизить уровень шума до безопасного.
Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ Механика» №6 за 2023 год. Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России, проект FSNM-2023-0004 «Водородная энергетика. Материалы и технология хранения, транспортировки и применения водорода и водородсодержащих смесей».
Одним из приоритетных направлений развития энергетики в нашей стране, согласно стратегии ЭС-2035, выступает транспортировка и хранение водорода и водородосодержащих газовых смесей для потребления внутри России и экспорта. Со временем водород заменит традиционные уголь, нефть и газ, и его применение будет расширяться для заправки автотранспорта, отопления зданий, в производстве и добыче сырья, на промышленных объектах в качестве источника энергии.
По некоторым оценкам к 2040 году протяженность системы трубопроводов для водорода достигнет более 23 тыс. км, из которых 75% будут составлять переоборудованные действующие магистрали для природного газа.
Проблема в том, что при эксплуатации существующих труб во время перемещения водорода шум может значительно превышать безопасную для человека норму. По СанПиН в производственных помещениях уровень звука должен быть в пределах 80 дБ. Например, при 90 дБ (звук проезжающего грузового вагона) уже нарушается работа органов слуха, появляется головная боль, тошнота. Отбойный молоток производит шум в 120 дБ, и для человека без наушников это почти невыносимо, может вызвать внезапную потерю слуха.
Ученые ПНИПУ провели исследования процессов распространения и гашения акустических (звуковых) волн в трубопроводе при использовании перегородок из разных материалов. Они разработали численную модель, в которую подставляются параметры материалов и определяется, с какой частотой и амплитудой будет колебаться перегородка и как будет изменяться давление.
— Раньше модели учитывали только газодинамику, то есть, как газ движется и взаимодействует с твердыми недеформируемыми преградами. А мы разработали модель, которая учитывает не только это, но и деформации конструкции при воздействии на него потока водорода. Раньше такого не было, — объясняет доктор технических наук, декан аэрокосмического факультета ПНИПУ Владимир Модорский.
— В одних случаях поток газа вызывает колебания перегородок и приводит к резонансу — усилению шума, а в других, наоборот — ослабляет или даже гасит звуковую волну. На практике наша модель может работать так: предприятия будут подбирать материал для перегородок, их конструкцию, как расположить и в каком количестве для конкретного случая, то есть получат «индивидуальный расчет» по снижению шума, — поделилась инженер центра высокопроизводительных вычислительных систем ПНИПУ Маргарита Серегина.
Исследование ученых Пермского Политеха поможет найти наиболее эффективный способ для снижения шума при транспортировке газа, в том числе водорода и смесей с ним, по трубопроводам. Это позволит не только сохранить здоровье людей на производстве, но и ускорить процесс перехода отечественной энергетики на водородные ресурсы.