химический каталог




Введение в водородную энергетику

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

я жидкого водорода в качестве топлива в автотранспорте в настоящее время весьма далеко от завершения.

Естественным и, по-видимому, наиболее рациональным путем вовлечения водорода как топлива в автотранспорт является использование его на первом этапе в качестве добавок к углеводородным топливам. По мере накопления опыта его использования и разработки необходимой технологии будет решаться вопрос о целесообразности и этап-ности более широкого внедрения водорода и различных искусственных топлив на его основе.

7.6. Перспективы применения жидкого водорода в авиации

В настоящее время потребление топлива гражданской авиацией растет быстрее, чем потребление любым другим видом транспорта. В 1976 г. коммерческий воздушный флот США насчитывал около 2600 самолетов из них около 10 о/о_ШНр0кофюзеляжных. На долю этих самолетов приходилось 25 % общего объема перевозок и около 25 /0 общего расхода топлива. К 1985 г. по прогнозам авиатранспортный парк западных стран возрастет до »^0 самолетов. Грузовые перевозки возрастут с 3 млн. ? в 19ЬУг. до 34 млн ? в 1985 г., общее число пассажиров, перевозимых на всех линиях США, к 1985 г. достигнет 740 млн. чел.

В 1978 г. на долю авиации в США приходилось около 5 % общего потребления нефти, к 2000 г. потребность авиации США в топливе возрастет примерно в 10 раз;

245

В недалеком будущем по потреблению топлива авиация сравняется с/автотранспортом. Ести в 1970 г. в США явиация потребляла 12,5 % годового расхода топлива на все виды транспорта, то по прогнозам к 1985 г. доля авиации в потреблении топлива возрастет до 26,8 %, а к 2000 г.— до 32,5 % [153]. Одновременно с резким возрастанием потребления топлива ожидается и возрастание вредного воздействия авиации на окружающую среду, связанного в основном с выбросами окислов углерода (СО и С02), окислов азота и разрушением озонного слоя нижней части стратосферы [154].

В нашей стране ожидаемый к 1990 г. рост авиаперевозок приведет к возрастанию потребности в авиационном топливе (керосине, бензине) как для авиации народнохозяйственного применения и на местных воздушных линиях, так и (главным образом) на внутрисоюзных и международных магистральных авиалиниях средней и большой (8-Ю3 км и более) протяженности. Запланированное ускоренное развитие промышленности в Сибири и на востоке страны приведет к дальнейшему быстрому росту объема и дальности авиаперевозок, а следовательно, и к росту потребности в топливе для авиации.

В настоящее время при переработке нефти выход авиационных топлив (керосинов) составляет около 5 %, бензинов— около 47% и дизельного топлива — около 25%. Если вести переработку нефти таким образом, чтобы обеспечить максимальный выход авиационного топлива, то можно довести его примерно до 17 %, однако при этом выход бензина уменьшиться до 18, а дизельного топлива — до 20 % [155], т. е. увеличение производства авиационного топлива путем изменения процессов нефтепереработки не может быть обеспечено без ущерба для выработки других видов моторных топлив.

Таким образом, с развитей авиации и истощением дешевых ресурсов нефти все более острыми становятся задачи поиска альтернативных авиационных топлив, обеспечивающих дальнейшее развитие авиации без резкого возрастания потребления нефти и уменьшающих вредное воздействие авиации на окружающую среду. В последние годы в работах отечественных и зарубежных авторов в качестве наиболее перспективной альтернативы для замены нефтяных топлив в авиации детально изучается жидкий водород [153—157]. В качестве авиационного топлива жидкий водород обладает как рядом важных преимуществ по сравнению с современными и другими 246

возможными перспективными авиационными топливамй (например, сжиженным метаном), так ц существенными недостатками, затрудняющими его немедленное использование [156].

Теплота сгорания жидкого водорода на единицу массы в 2,8 раза превышает теплоту сгорания керосина, а его теплопоглощающая способность в 30 раз выше, чем керосина. Характеристики горения водорода лучше, чем керосина или метана. Высокая теплота сгорания водорода позволяет значительно уменьшить массу необходимого запаса топлива на борту самолета, уменьшить взлетную массу самолета при заданной дальности полета и массе полезного груза, уменьшить размеры и массу двигателей, упростить и облегчить конструкцию шасси, уменьшить удельную нагрузку на крыло и размеры крыла. Меньшие

Рис. 7.19. Зависимость дальности полета сверхзвукового самолета от скорости при использовании различных топлив: / — жидкого водорода; 2 — жидкого метана; 3—керосина

размеры и масса самолета и двигателя снижают их стоимость, кроме того, меньшая масса самолета позволяет снизить требования к длине и покрытию взлетно-посадочных полос для большегрузных самолетов и за счет этого снизить капитальные затраты на строительство аэропортов.

Увеличение теплоты сгорания водородного топлива в 2,8 раза по сравнению с керосином приводит к почти такому же увеличению удельного импульса двигателя. Это становится особенно важным при сверхзвуковых скоростях полета, так как с ростом скорости происходит снижение удельного импульса двигателей и использование жидкого водорода может сделать экономичным полет с большими числами М, чем использование обычных топлив. Результаты различных работ по оптимизации параметров пассажирских самолетов при числах З^М^8 крейсерского полета показывают, что наибольшая дальность полета для самолета на жидком водороде достигается вблизи М=6, в то время как при использовании керосина оптимально М=3. При одинаковой взлетной массе дальность полета самолета на жидком водороде увеличивается в 1,5 раза

247

(рис. 7.19). Если-сравнивать самолеты этих типов при одинаковой дальности полета, то применение водорода приводит к значительному снижению необходимого запаса топлива, обеслечивая более низкую удельную нагрузку на крыло и большую высоту крейсерского полета.

Сжигание водорода в камере сгорания авиационных газотурбинных двигателей является легко управляемым процессом, отличается улучшенной полнотой сгорания, особенно на форсажных режимах и на режимах малого газа. Пламя водорода имеет низкую излучательную способность, поэтому тепловые потоки излучением на стенки камеры сгорания для водорода в 1,5—2 раза ниже, чем для керосина. Водород вводится в камеру сгорания в виде газа, равномерно распределяется и быстро диффундирует в смеси, что исключает ее местное переобогащение, хорошо горит при бедных смесях и обеспечивает большую устойчивость процесса сгорания к высокочастотным колебаниям при составах смеси, близких к стехнометрическнм. В связи с этим камера сгорания для водорода может быть меньшей длины при меньших термических напряжениях в элементах конструкции. Благодаря хорошим характеристикам горения водорода высотность полетов может быть увеличена на 3—7 км. Для сверхзвуковых самолетов увеличение высотности полетов, уменьшение массы самолета, удельной нагрузки на крыло и размеров крыла позволяет существенно уменьшить интенсивность воздействия звуковой волны на поверхность Земли. Кроме того, при уменьшенной нагрузке на крыло взлет сверхзвуковых самолетов может производиться с задросселированными двигателями и с меньшим шумом в районе аэропорта. При использовании водорода в качестве топлива не происходит выбросов в атмосферу СО, С02, радикалов СН* и могут быть значительно уменьшены выбросы окислов азота.

Большая теплоемкость жидкого водорода позволяет использовать его хладоресурс в системах охлаждения двигателя и самолета. Может быть создана система охлаждения турбины двигателя без отбора воздуха на охлаждение, что заметно улучшит экономичность двигателя, ресурс двигателя может быть увеличен на 25 %. Повышение эффективности охлаждения позволяет организовать рабочий процесс при более высоких температурах и давлениях газа перед турбиной, что может привести к дополнительному повышению удельной тяги и снижению удельного расхода топлива на 15—20 %.

При гиперзвуковом полете высокий уровень аэродина-

248

мйческого нагрева требует специального охлаждения узлов самолета. Сравнение потребностей охлаждения двигателя и наличного хладоресурса топлива на борту самолета говорит о возможности использования обычного углеводородного топлива только до скоростей М=4, при использовании же для этой цели жидкого водорода предельная скорость возрастет до М = 11. При этом только выигрыш в массе самолета за счет изменения системы охлаждения носовой части фюзеляжа, передних кромок крыльев и оперения может увеличить полезную нагрузку жидководородного самолета в 1,5—1,7 раза. Многие авторы указывают, что для гиперзвуковых пассажирских и транспортных самолетов жидкий водород является практически единственным приемлемым топливом.

Таким образом, жидкий водород может быть эффективным новым топливом для авиации и хорошо приспособлен к использованию для существующих типов двигателей и самолетов, что позволяет осуществить его поэтапное внедрение.

Вместе с тем жидкий водород как авиационное топливо имеет и ряд недостатков, препятствующих его немедленному внедрению. Главные из них: низкая температура кипения (криогенность), низкая плотность, большие энергозатраты на получение и ожижение, высокая стоимость, большие затраты на переоборудование аэропортов и создание сети их снабжения жидким водородом, большие потери по пути от завода-ожижителя до баков самолета при перекачке и хранении и связанный с этим низкий коэффициент использования топлива, необходимость большого (до 20 лет) времени на подготовку и осуществление перехода на водород.

Криогенность и низкая плотность водорода требуют создания громоздких топливных баков с экранно-вакуум-ной изоляцией на борту самолета, из-за чего увеличиваются масса и размеры самолета, повышается лобовое сопротивление, на 10—12 % (по сравнению с самолетом на керосине) ухудшается аэродинамическое качество. Возрастают размеры и масса топливной системы, требуется создание новых клапанов и насосов в системе подачи, приборов КИПиА и других агрегатов. В связи с тем что при контакте с жидким водородом возможно наводораживание и

страница 49
< 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
компьютерные программы обучения дизайну
ремонт холодильника Bosch KGP36321
кто участвует в концерте кристины орбакайте
воздушные фильтры для систем вентиляции 850х550х96

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
(03.12.2016)