химический каталог




Введение в водородную энергетику

Автор Э.Э.Шпильрайн, С.П.Малышенко, Г.Г.Кулешов

му будет возможно лишь после решения всех перечисленных выше проблем.

Таблица 7.8. Моторные свойства водорода и бензина н смеси с воздухом

Характеристика Водород Бензин

Энергия воспламенения, МДж 0,02 0,25

Расстояние гашения, см 0,08 >0,25

Температура воспламенения, К 903 803

-Пределы воспламенения по объемному 4,7—74,2 0,59-6

содержанию, % 0,63 0,08

Коэффициент диффузии, см2-с-,1 Скорость распространения пламени, см-с-1 До 270 До 30

^ Низшая теплота сгорания, кДж-кг"1 120-103 44 ¦ 103

Стехиометрическое количество, кг возду- 34,2 14,95

ха иа кг топлива

Теплота сгорания смеси при стехиометри- 3180 3710

ческом количестве воздуха кДж-м-3

Водород может быть использован как топливо для двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием либо в чистом виде, либо в виде примеси к жидкому топливу. Как моторное топливо водород имеет ряд особенностей по сравнению с бензином, что позволяет по-новому подойти к организации рабочего процесса, существенно улучшить КПД и радикально снизить количество вредных выбросов. Сравнение моторных свойств водорода и бензина проведено в табл. 7.8.

Водород как моторное топливо имеет ряд преимуществ: у него высокая удельная теплота сгорания, хорошая воспламеняемость водородовоздушной смеси в широком диапазоне температур, обеспечивающая легкий запуск двигателя при практически любых возможных температурах окружающей среды, высокая антидетонационная стойкость, допускающая работу при степени сжатия до 14, высокие скорость и полнота сгорания, что позволяет приблизить реальный цикл работы ДВС с искровым зажиганием к иде-230

альному с подводом теплоты к смеси при постоянном объеме, т. е. увеличить КПД цикла. Воспламеняемость водорода в смеси с воздухом в широком диапазоне составов позволяет осуществлять регулирование смесеобразования в двигателе путем изменения количества подаваемого водорода и практически отказаться от дросселирования потока воздуха на впуске, т. е. организовать качественное регулирование рабочего процесса ДВС, увеличив тем самым термический КПД двигателя на режимах частичных нагрузок. Оценки показывают, что теоретический КПД двигателя внутреннего сгорания на водороде может быть на 10—15% выше, чем на бензине.

Высокие скорости сгорания водородовоздушной смеси в широком диапазоне коэффициентов избытка воздуха обеспечивают стабильность протекания рабочего процесса на всех режимах. Однако при составах смеси, близких к сте-хиометрическому, вследствие высокой скорости сгорания происходит более резкое нарастание давления и температуры в цилиндре по сравнению с циклом на бензине и максимальная температура цикла возрастает. При наличии свободного кислорода в камере сгорания (а^Л-^-1,15) на режимах полных нагрузок это приводит к росту эмиссии окислов азота N0*. Снижение выбросов окислов азота может быть достигнуто качественным регулированием путем увеличения ? примерно до 1,5 или понижением температуры сгорания смеси путем рециркуляции газов, добавок воды и т. д. Образования других вредных выбросов, типичных для современных автомобилей (СО, СН, SO*), при использовании водорода не происходит, что дает возможность создания практически экологически чистого автомобильного двигателя.

Результаты многочисленных испытаний показывают, что современные автомобильные двигатели могут работать на водороде, однако для реализации всех его преимуществ, по мнению ряда авторов, необходимы существенные конструктивные изменения двигателя: увеличение степени сжатия до допустимой для водорода 1: 14, организация мероприятий по предотвращению преждевременного воспламенения, обратных вспышек, детонации, уменьшение угла опережения зажигания, изменение системы питания с учетом возможности увеличения а, изменение системы регулирования и ряд других [145—153].

Менее радикальные изменения двигателя необходимы при использовании водорода в качестве добавки к обычным топливам. Широкие концентрационные пределы вос-

231

йламёнёний в воздухе, высокая скорость сгорания, малая энергия воспламенения, большие значения коэффициентов диффузии делают водород идеальной добавкой к обычным топливам, инициирующей процесс сгорания бедных угле-водородно-воздушных смесей. При этом достигается улучшение топливной экономичности двигателя и резко снижается уровень токсичности отработавших газов. Модификация бензинового двигателя при использовании водорода в качестве добавки минимальна и касается в основном систем питания и регулирования.

Испытания современных автомобильных двигателей при их работе на бензоводородовоздушных смесях (массовое содержание водорода в бензине 5—15%) показали, что выбросы окиси углерода снижаются с 4—1 до менее чем 0,1 %, существенно уменьшаются выбросы углеводородов и (при работе на частичных нагрузках) окислов азота. Для дизельных двигателей снижаются также выбросы сажи.

На рис. 7.14 приведены результаты испытаний двигателя автомобиля «Москвич-412», выполненных в Институте проблем машиностроения АН УССР. Видно, что выбросы окислов азота при нагрузках ?,<80 % при работе на бензоводородовоздушной смеси меньше, а при Ni>80 % больше, чем при работе на бензовоздушной. В условиях города автомобильный двигатель около 20 % времени работает на холостом ходу и подавляющую часть времени — при ???<80%· В связи с этим применение добавок водорода к обычным топливам на практике будет приводить к радикальному снижению суммарных выбросов как СО и СН, так и NO*. В связи с возможностью работы на бедных смесях применение добавки водорода в количестве 5—10 % позволит в условиях города сократить расход бензина на 20—30 % и повысить топливную экономичность двигателя на 10—15 % [144].

Перевод автотранспорта на водородное топливо или на смеси водорода с обычными топливами связан с решением многих достаточно сложных проблем. Наиболее важной и

0,1 Рис. 7.14. Зависимость выбросов СН и N0* от нагрузки двигателя для О разных топлив:

¦--¦ — бензин; ---—·— —водород;

• ¦ -¦ ———- — бензин+водород

so ш;а

232

сложной является проблема размещения на автомобиле запаса водорода, необходимого для обеспечения требуемого пробега. Водород можно транспортировать на автомобиле либо в газообразном (в баллонах под давлением), либо в сжиженном (в криогенных баках), либо в связанном твердофазном (гидриды металлов) и жидком (химические соединения) состояниях.

Сравнение этих способов и анализ возможности их применения для автомобилей различного назначения проводятся обычно по нескольким показателям: массе системы хранения водорода, объему бака, рабочим параметрам объема хранения, потерям топлива на различных этапах от момента его производства до заполнения бака автомобиля, потерям в процессе использования, затратам первичной энергии на выработку и подготовку топлива до его использования и в процессе использования, включая перевозку топлива на автомобиле, а также по некоторым другим показателям.

Некоторые наиболее важные показатели различных методов хранения водорода на борту автомобиля приведены в табл. 7.9. Следует отметить, что из перечисленных в табл. 7.9 методов в настоящее время хорошо освоено лишь хранение водорода в стальных баллонах под давлением, остальные методы находятся в стадии разработки и освоения. Рассмотрим возможности использования различных систем хранения на примере автомобиля ЗИЛ-130. Напомним, что для серийного автомобиля ЗИЛ-130 грузоподъемностью 5 ? запас энергии в бензиновом баке' вместимостью 170 л составляет 5,4· 106 кДж, а пробег — около 410 км. Для обеспечения на водороде такого же пробега, как на бензине, автомобилю ЗИЛ-130 потребуется при одинаковом термическом КПД запас водорода 45,3 кг.

Для перевозки на автомобиле водорода в газообразном состоянии под давлением 10 МПа могут быть использова- , ны стандартные стальные баллоны высокого давления емкостью 55 л и массой 56 кг. Отношение массы тары баллонов к массе водорода составляет 116,8, поэтому общая масса баллонов, необходимых для размещения 45,3 кг водорода, достигает 5325 кг, т. е. превышает полезную грузоподъемность этого автомобиля. Даже при снижении требований к пробегу автомобиля в 2 раза (до 205 км) масса баллонов с водородом все еще будет составлять около 50 % полезной грузоподъемности, т. е. будет чрезмерно велика. Перевозка водородного топлива на автомобиле в газообразном состоянии в таких баллонах, как 16-12 233

Таблица 7.9. Характеристики различных методов хранения водо

Метод хранения

Показатели среды хранения

< ?-

О ?

О ш а

Показатель системы хранения

2 -к

с Л и

Я ? ·

SB ь

Жидкий водород в криогенном баке

Газообразный водород в баллонах: стальных

армированных алюминиевых

из композитных материалов Гидриды илтерметаллидоз: низкотемпературные (FeTi)

высокотемпературные (Mg, MgNI) композиция FeTi. MgNi

Жидкие соединения водорода (метанол)

100

100

100 100

1,75 7—3,2 2,5-4 12,5

9—18

9-18 18

96 101-81 100

99

33,3

33,3

33,3 33,3

0,58 2,33—1,05 ~1 5,6

2,36

0,15-0,3

0,15-03 0.3

3,18 3,36-2,69 ~3 4.42

6—7.5

75-120

45—60 16-30

70-90 23—50 60-80 10-15

видим, неприемлема. Этот метод может стать конкурентоспособным лишь при условии изготовления гораздо более легких баллонов высокого давления. Для баллонов из композитных материалов с массовым показателем 16 кг на 1 кг Н2 масса системы хранения составит 725 кг, а занимаемый ею объем — около 2,5 м3 при давлении в баллонах 20 МПа. Такая система хранения уже могла бы быть использована при некоторой модификации автомобиля. Экспериментальные образцы таких баллонов созданы в последнее время и использованы в нескольких образцах опытных автомобилей на природном газе и водороде.

Можно перевозить водород в криогенном баке при температуре не более 20 К. Вместимость такого бака для размещения тех же 45,3 кг водорода составит минимум 04U л, т. е. будет более чем в 3,5 раза больше, чем бензинового. Масса бака (при удельной массе 7,4 кг на 1 кг Н2) составит около 335 кг. Общая масса криогенного бака с водородом (380 кг) хотя и велика, ио все ж

страница 46
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53

Скачать книгу "Введение в водородную энергетику" (2.73Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [прайс-листы]  [форум]  [обратная связь]

 

 

Реклама
асус компьютер
ручки для румынской мебели
летние шатры для дачи цены
купить стальные цифры и буквы на входные двери

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(22.11.2017)