Главная
База знаний "Allbest"
Физика и энергетика
Використання металогібридних акумуляторів водню на борту транспортного засобу
Використання металогібридних акумуляторів водню на борту транспортного засобу
Розвиток водневої енергетики. Способи видобутку водню, його зберігання та теплотехнічні характеристики. Термохімічна взаємодія металогідридів з воднем. Застосування автомобільних гідридних акумуляторів водню. Макетний зразок водневого автонавантажувача.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 29.01.2013 |
| Размер файла | 2,1 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Уточнена оцінка можливості застосування того чи іншого гідрида в якості акумулятора водню для транспортної енергетичної установки може бути проведена за методикою. Суть методики полягає у порівнянні диспонуємо енергії, відпрацьованих газів, підраховані за їх температурі і витраті на режимах їздових циклу, з енергією, необхідної для десорбції водню на тих же режимах [8]. Ця методика може бути використана як для випадку роботи двигуна тільки на водні, так і для випадку роботи двигуна на суміші бензину з воднем. Розрахунок диспонуємо енергії здійснюється за наступним виразом:
QР = GО. Г •СР (t1. OГ - t2. OГ) фР/3600, (4.3)
де GО. Г - кількість відпрацьованих газів (кг);
Ср - теплоємність відпрацьованих газів (кДв/кг. град);
t1. OГ. - температура газів на вході в акумулятор;
t2. OГ - температура відпрацьованих газів на виході з акумулятора;
фР - час режиму їздових циклу (секунд).
Енергія десорбції необхідної кількості водню з гідридів визначається згідно з виразом:
QS=, (4.4)
де - часовий витрата водню (кг);
- енергія десорбції (кДж/кг Н2)
При цьому в методиці зроблені наступні допущення:
1) тиск водню в гідридному акумуляторі постійний;
2) гідридний акумулятор прогріті до температури десорбції;
3) система без інерційна;
4) теплоємність газів постійна Ср = 1,086 кДж / кг. град.;
Нижче на прикладі автомобіля ГАЗ-24 "Волга" з двигуном, що працює на суміші бензину з воднем, показаний аналіз енергетичного балансу системи ДВЗ - "гідридний акумулятор водню" при випробуваннях автомобіля за їздових циклу згідно ОСТ 37.001.54-74. Даний їздових цикл включає найбільш характерні режими роботи автомобільного двигуна в умовах міської експлуатації з високою інтенсивністю руху.
На рис 4.1 показаний випробувальний їздових цикл і відповідні його режиму кількість Gо. г, і температура tо. г. газів, а витрати водню GH2, отримані шляхом перерахунку результатів стендових випробувань двигуна ЗМЗ-24 при роботі на суміші бензину з воднем. Сумарний витрата водню за їздових цикл становить 15,6 грамів, причому максимальний витрата має місце на режимах П та Ш передач (0,67 кг/год та 0,66 кг/год) відповідно, на режимі холостого ходу витрата не перевищує 0,180 кг/час, а на режимах примусового холостого ходу подача водню вимикається.
Розташовується енергія відпрацьованих газів підраховувати на кожному режимі їздових циклу для різних температур газів на виході з гідридного акумулятора (t2о. г = 0; 50; 100; 140; 200; 260; 320°С). Рис.4.1 ілюструє співвідношення диспонуємо енергії відпрацьованих газів і необхідної для десорбції водню по режимам їздових циклу для гідридного акумулятора на сплавах FеTi і Мg2Ni. Для низькотемпературного гідрида (t2о. г = 50° С) розташовуються енергії цілком достатньо для десорбції необхідної кількості водню на всіх режимах їздових циклу, включаючи холостий хід, причому на більшості режимів має місце значний надлишок тепла. Для високотемпературного гідріда Mg2NiH4 (t2о. г =260°С) розташовуються енергії достатньо лише на режимах руху з постійною швидкістю.
Забезпечити постійну температуру на виході з теплообмінника-гідридного бака ? неможливо, так як температура продуктів згоряння змінюється в широких межах (120-480°Св залежності від режиму їздових циклу [9]. При постійній поверхні теплообміну У гідридному баці з підвищенням температури продуктів згоряння на вході в теплообмінник також збільшується температура на виході, що призводить до зниження диспонуємо тепла в циклі. Де показано також необхідну кількість тепла для десорбції водню за цикл ряду гідридів в інтервалі температур для рівноважних тисків від 0,15 до 1,0 МПа. Як видно з малюнка, для низькотемпературних гідридів диспонуємо кількість тепла в 2-3 рази перевищує необхідне. Надлишок тепла, щоб уникнути перегріву гідридного бака і збільшення тиску водню в ньому вище розрахункового, необхідно скидати, що досягається установкою розподілювача ВГ, який здійснює кількісне регулювання витрати продукту згоряння через теплообмінник гідридного бака і тим самим забезпечує нормальну роботу гідридного бака при температурах продуктів згоряння, значно перевищують рівноважну температуру десорбції при 1,0 МПа.
Найбільш перспективним з показана низькотемпературних гідридів слід вважати гідрид FeTiH2, що має найбільшу сорбційну здатність і низьку вартість, хоча і вимагає для заправки водень високої чистоти (99,98%). Тому на стадії експериментальних робіт з гідридними системами зберігання водню поряд з FeTi, може бути використаний і більш дорогий гідрид LaNi5H6, 7, який багаторазово (не менше 3000 циклів) поглинає технічний водень (98,5%) без погіршення сорбційних властивостей.
Гідрид FeTiH2 цілком задовольняє вимогам балансу тепла і на будь-яких стаціонарних режимах руху автомобіля, на якому представлено зміна кількості диспонуємо тепла в залежності від температури вихідних газів. Так як витрата водню на розглянутих режимах різний, то необхідну кількість тепла для виділення водню з гідридом на цих режимах показано заштрихованою областю. Для забезпечення витрат водню на холостому ходу двигуна температура вихідних газів на виході з гідридного бака не повинна перевищувати 60°С.
Враховуючи фактор теплової інерційності гідридної системи зберігання водню, слід очікувати його нестачі на перехідних режимах роботи двигуна, на яких відбувається різке збільшення витрат водню. При загальній витраті водню за цикл дорівнює 15,6 грамів на частку перехідних режимів припадає 22%. Оскільки перехідні режим йдуть, як правило, за неодруженому ходом, де надлишок тепла практично відсутній, доцільно використовувати надмірне тепло інших ділянок циклу для накопичення водню з наступним його використанням на перехідних режимах. Це може досягатися установкою накопичувальної ємності, Крім цього, в процесі виділення водню з гідриду можливо додаткове збільшення обсягу накопичувальної ємності за рахунок обсягу гідридів, що значно підвищить динамічні якості системи живлення двигуна. Наявність накопичувальної ємності необхідно також для забезпечення запуску двигуна.
Розглядаючи можливість застосування високотемпературних гідридів магнієвої групи в якості автомобільних акумуляторів водню, слід відзначити, що жоден з цих гідридів не задовольняє прийнятим балансу тепла. Диспонуємо тепла за їздових циклу досить усього лише для виділення 12,5% необхідної кількості водню при використанні гідридом Мg2CuH3 і 24% Мg2CuH4 при мінімальному робочому тиску у системі живлення 0,15 МПа. Отже, гідриди цієї групи не можуть бути використані в якості самостійних акумуляторів водню для автомобілів. Їх застосування доцільно в комбінованих схемах з низькотемпературних гідридів, що дозволить істотно знизити загальну масу гідридної системи [10]. Гідрид Мg2CuH3 не представляє інтересу, так як не має переваг перед гідридом МgNiH4, а його сорбційна здатність значно нижче. Гідрид МgН2, хоча і має високу здатність сорбційна розглядатися в подальшому не буде, оскільки його частка в комбінованої системі вдвічі нижче.
Найбільш доцільним слід вважати застосування в комбінованих гідридних системах сплаву Мg2Ni, для якого розташовується теплота достатня для виділення 24% від сумарного витрати водню в їздових циклі, а в реальних умовах міської експлуатації частка цього сплаву в комбінованої системі може досягати 50%, що дасть зниження маси на 25,5%
Перспективність застосування сплаву Мg2Ni підтверджується також тим, що на режимах усталеного руху на прямий передачу диспонуємо тепла газів, достатньо для покриття 47% витрат водню при швидкості 60 км/год, 80%.
5. Макетний зразок водневого автонавантажувача моделі 4092 - 01
5.1 Конвертування ДВЗ на живленні воднем
Основна проблема виникає при перекладі поршневих двигунів на живлення воднем, є займання свіжого заряду на такті випуску, що назване фахівцями зворотнім спалахом, що проявляється у вигляді добре прослуховує бавовною у впускному колекторі і практично завжди призводить до зупинки двигуна.
Теоретичні та експериментальні дослідження, проведені в інституті проблем машинобудування НАН України, дозволили зробити про те, що зворотний спалах є наслідком дуже низької енергії займання водньоповітряної суміші близького до стехеометричного складу і відбувається під час перекриття випускного і випускного клапана в результаті контакту суміші з гарячими відпрацьованими газами.
Різні способи придушення зворотного спалаху (такі, як рециркуляція відпрацьованих газів, уприскування води в циліндр або у впускний колектор, подача водню при низьких температурах і циклової подача його з запізнювання щодо моменту відкриття впускного клапана), піддані експериментальній перевірці, або виявилися малоефективними, або вимагають розробки складних технічних пристроїв, для своєї реалізації.
В якості альтернативи перерахованими методами запобігання зворотного спалаху був запропонований спосіб роботи ДВС [10] с безперервного подачею водню у впускний колектор (в зону перед впускному клапаном). При цьому в перший момент після відкриття клапана циліндр надходить тільки багата водню не запалюється суміш, завдяки чому температура залишкових газів знижується і займання водньоповітряної суміші не відбувається. Такий спосіб боротьби зі зворотним спалахом не погіршує техніко-економічні показники водневого двигуна, а його конструктивне перетворення відрізняється простою і відсутністю рухомих деталей.
Реалізація описаного способу здійснюється заміною штатного впускного колектора спеціальним, співвідношенням основних конструктивних параметрів якого описано напівемпіричною залежністю [11]. Оснащення декількох моделей двигунів спеціальними випусками колекторами показало, що всі вони працювали на водні стійко, при чому в цьому діапазоні зміною частоти обертання колінчатого вала коефіцієнта надлишку повітря.
Пошукові роботи по альтернативним способам придушення зворотного спалаху та оптимізації параметрів робочого циклу поршневого водневого ДВС були продовжені. Так, для виключення зворотного спалаху вжити заходи щодо зниження температури продуктів згоряння на номінальному та близьких до німу режимах роботи водневого двигуна. Зокрема, проведені теоретичні дослідження впливу співвідношення між ступенем стиснення (е) та коефіцієнтом надлишку повітря (б) на основні показників водневого ДВС [12]. Чисельне моделювання робочого циклу показало, що одночасне збільшення і б при незмінному середньому індикатором тиску (pi) дозволяє збільшити індикаторний ККД, а також знизити максимальну температуру і температуру продуктів згоряння в момент відкриття випускного клапана. При чому останню-до величини, при якій зворотній спалах не виникає. Такий підхід дає ще один, поряд з описаним вище, спосіб вирішення проблем виникнення зворотного спалаху в водневому двигуні Для зручності використання даного методу були виведені універсальні аналітичні залежності [13] для підрахунку мінімальних і більш високих значень ступеня стиснення та коефіцієнта надлишку повітря при дотриманні умови pi=const.
Слід зазначити, що істотне збільшення ступеня стискання (до е = 11,0 і вище) призводить до необхідності розробки спеціальної головки циліндрів для водневого двигуна. Але й невелике збільшення є, досягнуте доробкою (фрезерування) штатної головки, призводить до зниження температури продуктів згоряння та разом з описаним вище способом значно спрощує задачу придушення зворотного спалаху при одночасним поліпшення показника водневого ДВС.
Як зазначалося вище, ще одним серйозним порушенням стабільності протікання робочого циклу водневого двигуна є передчасне займання водню-повітряних сумішей, близьких до складу стехіометричної, в процесі стиснення, або калільного запалювання В якості засобу боротьби з цим явищем використовувалася ретельна підготовка камери згоряння. а саме усунення подряпин, гострих крайок і зняття нагару (якщо двигун до конвертування працював на бензині). Але все ж найбільш важливим фактором запобігання калільного запалювання є вибір типу свічок запалювання.
При виборі способу регулювання потужності водневого двигуна ставилося завдання досягнення високого рівня ефективного ККД у всьому діапазоні навантажень аж до холостого ходу. Широкі концентровані межі займання водньоповітряних сумішей свідчать про можливість якісного регулювання потужності водневого двигуна. Однак аналіз даних, отриманих при проведенні експериментальних досліджень, показав, що при б > 3,5 - 4,0 спостерігається зниження індикаторне ККД. Тому для досягнення високої ефективності робочого циклу водневого двигуна на малих навантаженнях, було 6и доцільно обмежувати максимальне значення коефіцієнта надлишку повітря зазначеної величиною, тобто застосовувати змішане регулювання. І все ж на певному етапі розробки концепції водневого двигуна з метою спрощення системи управління їм цілком допустимо зупинитися на якісному регулювання потужності. На користь цього твердження свідчить і той факт, що, незважаючи на очевидну ефективність застосування дроселювання на малих навантаженнях (до 30% на холостому ходу), сумарне зниження витрати водню при роботі міському циклу складається всього близько 3 - 4% У подальшій нашій роботі цей резерв підвищення паливної економічності звичайно ж буде використаний.
При виборі способу регулювання потужності водневого двигуна ставилося завдання досягнення високого рівня * ефективного ККД у всьому діапазоні навантажень аж до холостого ходу. Широкі концентровані межі займання водньоповітряної сумішей свідчать про можливість якісного регулювання потужності водневого двигуна. Однак аналіз даних, отриманих при проведенні експериментальних досліджень, показав, що при б> 3,5 - 4,0 спостерігається зниження індикаторне ККД. Тому для досягнення високої ефективності робочого циклу водневого двигуна на малих навантаженнях, було 6и доцільно обмежувати максимальне значення коефіцієнта надлишку повітря зазначеної величиною, тобто застосовувати змішане регулювання. І все ж на певному етапі розробки концепції водневого двигуна з метою спрощення системи управління ім цілком допустимо зупинитися на якісному регулювання потужності. На користь цього твердження свідчить і той факт, що, незважаючи на очевидну ефективність застосування дроселювання на малих. навантаженнях (до 30% на холостому ходу), сумарне зниження витрати водню при роботі городовий циклу складається всього близько 3 - 4% У подальшій нашій роботі цей резерв підвищення паливної економічності звичайно ж буде використаний
Результати стендових випробувань двигуна УМЗ-417 зі збільшеною до 8,9 ступенем стиснення та встановленим спеціальним впускному колектором при якісному регулюванні потужності, наведені на, ілюструють високу ефективність робочого циклу при роботі на водні по описаного вище способу Близько 60%, робочої зони універсальної характеристики з ефективного ККД має рівень вище зе = 0,3 тобто зона найкращої економічності водневого двигуна в порівнянні з бензиновим значно великий і має більш високі абсолютні значення (на 15-20% вище, ніж у бензинового двигуна. Ще значний перевага водневого двигуна в області малих навантажень - тут ефективність його робочого циклу в 2 рази вище, чому бензинового двигуна. Остання обставина має вирішальне значення при використанні водневого автомобільного транспорту в умовах міський експлуатації Що ж стосується деякого зниження максимальної потужності при переході на водень при зовнішньому сумішоутворення (близько 15%), то воно, у разі необхідності, може бути компенсовано підвищенням ступеня стиснення або застосуванням наддуву.
При знятті характеристик двигуна УМЗ-417 на моторному стенді проводився відбір проб газів, для аналізу на присутність в них оксидів азоту (|NOх) та залишкового водню (Н2). Замір концентрації залишкового водню у відпрацьованих газах мав на меті визначити ступінь повноти згоряння водньоповітряної суміші, а також можливість утворення в системі випуску вибухонебезпечної концентрації водню. Проведені дослідження показали, що об'ємна частка водню у відпрацьованих газах становить при стехіометричному складі суміші близько 0,02%, а при бmax - 0,6%. Вказані концентрації свідчать про високу якість протікання робочого циклу і не є вибухонебезпечними, перебуваючи за межами займання водньоповітряних.
Максимальний вихід оксидів азоту з відпрацьованими газами водневого двигуна спостерігається, як і у бензинового двигуна, на режимі 85 - 90% від максимальної навантаження. Однак при збіднених водньоповітряних сумішей емісія оксидів азоту різко падає при падає і при б> 1,9 - 2.0, тобто при навантаженні менше 65%, освіта оксидів азоту практично припиняється [14]. Виявлений характер зміни емісії N0х по навантажувальні характеристиці дає підстави припускати, що інтегральні викиди цього токсичного компонента при роботі транспортного засобу з водневим двигуном по їздових циклу будуть невеликі, оскільки в цьому циклі більшу частину часу займають малі та середні навантаження (рис.5.2).
Першим автотранспортним засобом, двигун якого (УМЗ-451МП) конвертований на живленні воднем з пропонованої концепції, став автонавантажувач моделі 4092 [15] акумулювання водню на борту експериментальної машини засноване на використанні оборотних металогідридів. Гідридний акумулятор місткістю 2,7 кг водню встановлений на місце верхній частині противагу, при цьому загальна маса автонавантажувача і розподіл навантаження по осях не змінилися.
Відділенням проблем машинобудування, механіки і процесів управління АН СРСР і Президією АН СРСР роботи по створенню водневого варіанти автонавантажувача моделі 4092 віднесені до числа найважливіших досягнень АН СРСР за 1987 рік. За пропозицією керівництва Одеського морського торгового порту в 1987 році були проведені випробування створеного зразка в умовах реальної експлуатації в складських приміщеннях порту.
Рисунок - 5.2 Навантажувальна характеристика двигуна УМЗ - 417 (n=2000 хв-1)
У процесі випробувань були підтверджені гарна працездатність і екологічна чистота водневого автонавантажувача, а також висловили ряд конструктивних пропозицій щодо його вдосконалення.
Наступним об'єктом, двигун якого (УМЗ-417) був конвертований на харчування воднем, став автонавантажувач моделі 4092-01 [16]. На відміну від свого попередника цей експериментальний зразок обладнаний істотно більш потужним двигуном (за рахунок збільшення ступеня стиснення), а його гідридний акумулятор, повністю замістити противагу, вміщує 6,8 кг водню, що забезпечило збільшення тривалості роботи без дозаправлення з 2 до 4,5 години.
Отримане на моторному стенді поле характеристик водневого варіанту цього двигуна з якісним регулюванням потужності дозволило розробити систему автоматичного регулювання витрати водню і кута випередження запалювання (рис.5.3)
1 - балона рампа; 2, - запірний вентиль, 3-понижуючий редуктор; 4 та 8 - електроклапани, 5 - електронний блок відключення. подачі водню; 6 - регулювальний вентиль холостого ходу; 7-регулювальні вентиль пускового пристрою, 9 - реле, 10 - педаль управління; 11 - соленоїд; 12 - механічний дозатор; 13-розподільник запалювання, 14 - відцентровий дозатор з обмежувачем частоти обертання колінчастого вала; 15-відцентровий регулятор; 16-ДВС
Рисунок 5.3 - Схема системи паливоподачі та регулювання кута випередження запалювання водневого двигуна.
Водень з балонної рампи 1 через запірний вентиль 2, понижуючий редуктор 3 і 4 електроклапан подається до першої сходинки регулювання - механічному дозатор 12, керованого педаллю 10 і регулює витрата водню по навантажувальні характеристиці.
Послідовно з механічним з'єднанням відцентровий дозатор - 14, що наведений в дію відцентровим регулятором 15 і призначений для корекції витрат водню за швидкісними характеристиками (в його конструкцію введено обмежувач частоти обертання вала водневого двигуна). Відцентровий дозатор з'єднаний з трубками спеціального впускного колектора двигуна 16
Паралельно двоступінчастий системі дозування подачі водню, замкненою у вихідному положенні педалі 10 управління, включена система пусковий подачі водню і холостого ходу. Вона дозують подачу водню при пуску двигуна і роботі на холостому ходу і складається з регулюючого вентиля 6 холостого ходу, електроклапана 8, підключеного через реле 9 паралельно обмотці електростартера двигуна, і регулюючого вентиля 7 пускового пристрою. Електроклапаном 4 управляє електронний блок 5, відключають подачу водню при непрацюючому двигуні та його випадкової зупинці.
Як показали експериментальної дослідження, в першу приближені оптимальний кут випередження запалювання водневого двигуна не залежить від швидкісного режиму і визначається тільки навантаженням, тобто положенням педалі управління, пов'язаний механічно з розподільником 13 запалювання. Тому в розподільнику центробіжний коректор вимкнено. Вакуумний ж коректор використовується для роботи пускового пристрою, що приводиться в дію соленоїдом 11, підключеним паралельно обмотці стартера
5.2 Вибір типу інтерметаліда для системи акумулювання водню на борту автонавантажувача
При виборі типу інтерметалічного з'єднання для заповнення бортового гідридного акумулятора водню необхідно керуватися наступними основними вимогами:
1) тиск активації не більше 1,5 МПа;
2) тиск дисоціації гідридної фази при 20° С - 0,15 - О, 5 МПа;
3) сорбційна ємність не менше 150 см3Н2/г;
4) можливість застосування водню технічної чистоти;
5) можливість застосування при виробництві інтерметаліда компонентів, що володіють доступністю і відсутністю жорсткої фондіруємості.
Всі відомі до цього часу інтерметалічні з'єднання, які використовуються для оборотного накопичення водню, можна розділити на два класи:
високотемпературні
низькотемпературні.
До перших відносяться з'єднання магнію і деякі з'єднання титану та цирконію. Для них температура десорбції, що забезпечує задані параметри дисоціації, становить 350О С і вище, що є неприйнятним в розглянутому нами випадку.
До низькотемпературних гідридів інтерметалідів відноситься велика група матеріалів на основі сполук LaNi5 і TiFe [17]. Теплота десорбції водню для них становить 17 - 170 кДж/кмоль що визначає температуру десорбції, як правило, в межах 50 - 150°С. Композиції типу TiFе дуже чутливі до чистоти водню із-за наявності в їх складі великої кількості окислоутворюючого титану. При роботі з технічним воднем без попереднього очищення утворюється плівка оксидів блокує доступ водню до інтерметаліду. До цього слід додати, що існуючі в СРСР технології по отриманню зазначених композицій орієнтовані на використання чистих компонентів, які, в особливості титан, жорстко фондіруємі.
Сказане вище ставить нас перед необхідністю припустити, що шуканий інтерметалід може представляти собою з'єднання типу АВ5, де А - сильний гідрідообразуючий елемент (звичайно лантану або інші рідкоземельні елементи), В - каталізатор дісоціатівной хемосорбціі (зазвичай елементи 8-ї групи періодичної системи). Попередній аналіз по пунктам вищенаведених вимог показує наступне. По пункту I) в літературі [17] наводяться відомості, що вказують на застосування тисків 5 - 6 МПа, хоча при удосконаленні процесу активації ці значення можуть бути знижені. Пункти 2) і 3) цілком забезпечуються цим класом інтерметалічних сполук. Про виконання пункту 4) говорить той факт, що в силу малих кількостей гідрідообразуючего елементу (1/6 в атомному виразі), який є і окіслообразующім елементом, цей клас інтерметалідів найменш чутливий до чистоти водню. І нарешті, композиції типу ЦЛАН (система церій - лантан-алюміній-нікель) на основі з'єднання LaNi5 є єдиними в СРСР, які виготовляються в дослідно-промисловому масштабі з використанням порошків оксидів рідкісноземельних елементів, що не є жорстко фондіруемимі сировинними продуктами, що забезпечує виконання пункту 5).
Таким чином, орієнтація на інтерметалічні з'єднання типу АВ5 принципово дозволяє виконати всі пункти сформульованих вимог.
З усіх інтерметалічних сполук на основі LaNi5 був зроблений вибір на користь системи ЦЛАН-1, що випускається НВО "Тулачермет" за ТУ 14-22-3-87 і має такий склад:
La0, 98 •Ce0, 02 • Ni4, 98 • AL0, 02 (5.1)
Алюміній служить тут технологічної добавкою і його стабілізуючою вплив на гідридну фазу нівелюється таким же кількістю дестабілізуючий церія. Таким чином, властивості ЦЛАН-1 ідентичні інтерметаліду LaNi.
На ріс.5.4 наведені ізотерми десорбції в цій системі при температурах 25, 50, 100 і 1500С. Відповідно тиск дисоціації гідридної фази становить, МПа: 0,2; 0,5; 2,0 і 5,5 (по середині відповідних майданчиків на ізотерм). Сорбційна ємність при 200С склала понад 150 см3 Н2/м. Матеріал активували при тиску водню 5,0 МПа протягом 1,5 години. В подальшому було зроблено кілька напусків водню з наступним відбором дозованих порцій водню для побудови ізотерм десорбції.
Складніше відбувалася активація при тиску водню 1,5 МПа. Матеріал простояв при такому тиску і температурі 20° С близько 25 годин без ознак активації. Потім водень був відкачаний і при залишкового тиску 10-3 мм рт. ст. реактор був прогріті до температури 350° С на протязі 2-х годин, включаючи час нагрівання та охолодження. Після охолодження до кімнатної температури був повторений напуск водню при тиску 1,5 МПа. Через кілька хвилин був відзначений слабкий розігрів реактора, свідчить про початок процесу гідридоутворення. Після проведення ще двох таких циклів сорбент вийшов на номінальні властивості, повністю ідентичні тим, які були у нього після активації при тиску водню 5,0 МПа.
1 - t=250C; 2 - t=500С; 3 - t=1000С; 4 - t=150
Рисунок 5.4 - Ізотерми десорбції в системі ЦЛАН-1-Н2
Отже, в якості інтерметаліда для системи акумулювання водню на борту автонавантажувача обраний ЦЛАН-1, що задовольняє наведеним вище вимогам.
5.3 Гідридний акумулятор водню
Гідридний акумулятор, встановлений на місце противаги, призначений для тривалого зберігання водню на борту автонавантажувача і виділення цього палива з гідридних елементів при роботі двигуна. Акумулятор складається з каркасу, в якому горизонтально встановлені чотирнадцять гідридних елементів, послідовно з'єднаних між собою патрубками підведення і відведення теплоносія. Гідридні елементи мають загальний колектор для підведення і відведення водню. Технічна характеристика гідридного акумулятора водню наведена в табл.5.2.
Таблиця 5.2 - Технічна характеристика гідридного акумулятора
|
Найменування показників |
Значення |
|
|
Гідроутворюючий сплав |
ЦЛАН-1 |
|
|
Маса гідро утворюючого сплаву, кг |
562,8 |
|
|
Маса акумулюємого водню, кг |
6,83 |
|
|
Маса акумулятора (з гідридом), кг |
1000 |
|
|
Тиск водню при заправки, МПа |
1,5-2,0 |
|
|
Робочий тиск водню, МПа |
0,2-0,5 |
|
|
Час заправки (активне), хвл |
15-20 |
|
|
Теплоносій |
вода |
На рис. 5.5 представлена схема системи подачі теплоносія в гідридний акумулятор. Заправка акумулятора виробляється газоподібним воднем під тиском 1,5 - 2,0 МПа від джерела водню через заправний вентиль (5, см. ріс.5.3). Перед герметизації заправного трубопроводу здійснюється його продування воднем для видалення повітря. З метою охолодження гідридних елементів (8), необхідного для їх заправки воднем, до штуцера (10) підводиться вода з водопровідної мережі, з штуцера (II) вода подається на слив, а вентилі (9) та (12) переводять у положення відповідно на наповнення і на слив. При заправці водневий вентиль (3) повинен бути закритий. Заправка здійснюється протягом 15 т 20 хв до насичення гідридоутворюючого сплаву воднем. Кінець заправки визначається по температурі виходить із штуцера (II) води, що по мірі насичення акумулятора стає рівною температурі подається води. Після закінчення заправки необхідно від'єднують аркатуру, що подають і відвідних воду, повернути вентилі (9) та (12) у вихідне положення, закрити водневий вентиль (5) і відключити заправний трубопровід.
Для переходу на робочий режим необхідно відкрити видатковий водневий вентиль (3), з якого паливо через редуктор (2) надходить до системи живлення двигуна (I). При цьому для нормальної роботи двигуна надлишковий тиск водню в гідриднім акумуляторі, яке контролюється за манометри (4), повинно бути не менше 0,12 МПа.
Після запуску двигуна вода, підігріває в його системі охолодження, надходить в теплообмінник (14), отримуючи певну кількість тепла і від відпрацьованих газів. Додатковою водяним насосом (13) підігріта вода подається у гідридні елементи, повідомляючи їм необхідну для десорбції водню тепло, а потім повертається у двигун. Дозаправка системи водою здійснюється через розширювальний бачок (7).
При досягненні температурою води на виході з двигуна значення 800С розподільник відпрацьованих газів (16) переводиться в положення, при якому відпрацьовані гази з двигуна, минаючи теплообмінник (14), потрапляють в глушник (15). Для запобігання аварійного підвищення тиску в водневій магістралі вона обладнана запобіжним клапаном (б), відрегульовані на тиск 2,5 МПа.
1 - двигун; 2 - редуктор; 3,5 - вентилі водневі; 4 - манометр; 6 - запобіжний клапан; 7 - розширювальний бачок; 8 - гідридні елементи; 9,12 - вентилі теплоносія; 10,11 - штуцери підведення і відведення теплоносія; 13 - насос; 14 - теплообмінник; 15 - глушник; 16 - розподільник відпрацьованих газів
Рисунок 5.5 - Схема системи подачі теплоносія в гідридний акумулятор водню
5.4 Випробування макетного зразка водневого автонавантажувача
Виконання стендових досліджень водневого варіанти двигуна УМЗ-417, розробка паливної апаратури, а також системи акумулювання водню дозволили створити модернізований макетним зразок водневого автонавантажувача.
Випробування водневого варіанти автонавантажувача моделі 4092-01 проводилися за методикою ГСКБ по автонавантажувачах, що передбачає Загальний вигляд модернізованого макетного образу водневого автонавантажувача роботу по умовному циклу з довжиною плеча 25 м. Результати випробувань наведені в табл.5.3.
Таблиця 5.3 - Результати випробувань водневого автонавантажувач по умовному циклу
|
Найменування показників |
Значення |
|
|
Контрольна продуктивність, т/год |
71,9 |
|
|
Контрольна витрата палива, кг/год |
1,51 |
|
|
Середній час одного циклу, с |
88 |
|
|
Максимальна швидкість руху, км/год |
19,8 |
|
|
Тривалість роботи без дозаправлення воднем |
4,52 |
Для випробувань автонавантажувача на токсичність була застосована методика, згідно з якою відбір відпрацьованих газів проводився У герметичний мішок, укріплений безпосередньо на випробовуваний машині. Перед контрольним заїздом по умовному циклу з мішка відкачували наявні там гази. По закінченні заїзду вимірювалася кількість відпрацьованих газів в мішку і концентрація токсичних компонентів. Крім цього, проводилися вимірювання концентрацій токсичних компонентів на холостому ходу. Результати випробувань наведені в табл.5.4.
Таблиця 5.4 - Результати випробувань на токсичність автона-вантажувача моделі 4092-01
|
Найменування показників |
Значення |
||
|
на бензині |
на водні |
||
|
CO на холостому ходу,% NOx на холостому ходу, млн-1 CO по циклу, % NOx по циклу, млн. - 1 CnHm по циклу, % |
1,8 150 2,6 870 0,11 |
0 0 сліди 565 сліди |
Проведені випробування показали, що модернізований макетном зразок водневого автонавантажувача в цілому працездатний і має досить високу продуктивність для класу машин 2 т. У порівнянні з бензиновим прототипом викиди оксидів азоту (N0x) у водневого автонавантажувача в 1,5 рази нижче, а оксид вуглецю (СО), несгорівші вуглеводні (Сп Нm) та інші токсичні компоненти відпрацьованих газів практично відсутні.
На прохання керівництва Одеського морського торгового порту були проведені випробування створеного зразка в умовах реальної експлуатації в складських приміщеннях порту. У процесі випробувань були підтверджені гарна працездатність і екологічна чистота водневого автонавантажувача, а також висловили ряд конструктивних пропозицій щодо його вдосконалення, врахованих нами в подальшій роботі з використання водню для ДВЗ [19].
Створений зразок водневого автонавантажувача експонувалася на виставці VII Міжнародної конференції з водневої енергетики і, завдяки досконалості застосованих наукових і технічних рішень, отримав високу оцінку іноземних та вітчизняних фахівців.
І все ж, незважаючи на досить глибоку нерозробленість питань конвертування транспортних засобів на живлення воднем, широке використання цього екологічно чистого і поновлюваного виду палива і в колишньому СРСР і за кордоном стримується рядом факторів, в основному не пов'язані з поняттям "водневий двигун", а зумовлених недосконалістю процесів отримання, транспортування та зберігання водню. Так, вартість водню, одержуваного найбільш поширеним способом - електролітичні, приблизно в 5 разів вище вартості бензину. Та й масштаби його виробництва недостатні для того, щоб говорити про широкому використанні водню для автомобільного транспорту.
6. Охорона праці та навколишнього середовища
6.1 Заходи безпеки при роботі з воднем
Водень є пожежо- й вибухонебезпечним газом, так само як і природний, світильний водяний, коксовий та інші промислові і побутові гази, що містять від 15 до 85% водню і широко використовується в промисловості та побуті.
Це пояснюється не більшою небезпекою при роботі з воднем, ніж при використанні метану, бензину, пірокселину, а іншим характером виникнення цієї небезпеки, обумовленої його специфічними властивостями. Для уникнення небезпеки необхідно мати спеціальні значення та навички роботи в усіх випадках, пов'язаних з одержанням, зберіганням і використанням водню. Далі розглянуто деякі найважливіші заходи, додержання яких має запобігати виникненню аварійних ситуацій при використанні водню.
Промислові будинки й споруди, в яких зберігається, а також застосовується газоподібний або рідкий водень, повинні бути одноповерховими і не мати горищ і підвалів. Тільки у дослідних лабораторіях допускається робота з невеликою кількістю водню на верхньому поверсі будинку [19].
У виробничих приміщеннях повинен здійснюватись безперервний контроль вмісту водню в повітрі, для чого їх обладнують газоаналізаторами із світловою та звуковою сигналізацією. Вона повинна спрацювати при вмісті водню в повітрі на рівні 10% від його нижньої концентраційної межі запалення (0,4). При вмісті водню в повітрі вище 25% від нижньої межі запалення (1%) технологічне обладнання, розташоване в приміщенні, повинно бути зупинене Продуктивність припливно-витяжної вентиляції повинна забезпечувати такий повітрообмін, щоб водню в приміщенні не перевищувало 10% від нижньої концентраційної межі запалення.
Для освітлення слід використовувати апаратуру тільки у вибухозахищеному виконанні. Системи зв'язку та сигналізації повинні задовольняти вимоги, які ставляться до приладів електроустановок. Контрольно-вимірювальна апаратура теж, повинна бути у вибухобезпечному виконанні.
Системи, апаратура та трубопроводи з воднем мають бути пофарбовані в зелений колір. На газових балонах, які використовують для зберігання водню, нарізні з'єднання виконують лівим заходом запобігання несанкціонованого випадкового підключення до систем з іншими газами [20]. Щоб виключити можливість підсмоктування повітря із зовнішнього середовища, трубопроводи та системи слід підтримувати під надлишком тиску водню. Регулююча та запорна арматура, яку застосовано у водневих технологіях, повинна мати сильфонні ущільнювачі.
Неприпустимо різко дроселювати водень високого тиску до атмосфери (наприклад, при зупинці компресора, аварійному скиданні газу запобіжними клапанами та інші), бо в зоні викиду газу може утворюватися вибухонебезпечна суміш. Для запобігання вибуху або пожежі при одержання або використанні водню перед його подачею в будь-яку частину системи необхідно продути ії інертним газом. Слід пам'ятати, що апаратура та комунікації, заповнені воднем та сумішами з великим умістом водню, тривалий час після вилучення газу виділяють адсорбований водень. Тому ремонтні й зварювальні роботи з апаратурою, що працювали в атмосфері газу з високим вмістом водню, слід проводити лише після тривалої дегазації.
Усі інструменти повинні бути виготовленні з матеріалів, що не утворюють іскор при ударах. У приміщенні яких 520К.
Одяг з нейлону, терилену або подібних матеріалів, а також взуття на гумовій підошві можуть бути джерелами небезпеки [21]. Заряду статичної електрики, що накопичується на одязі із синтетичної тканини, достатньо, щоб запалити водень. Тому в приміщеннях, де можлива поява водню в повітрі, не дозволяється використовувати спецодяг, який виготовлено з матеріалів, що накопичують електричні заряди. Для відведення статичної електрики, що може накопичуватися на одязі обслуговуючого персоналу, використовують електропровідні доріжки або заземлені зони, майданчики, поручні. Необхідно врахувати, що рухомі резервуари, які мають гумові ролики, теж можуть накопичувати електростатичні заряди, тому їх також заземляють. Будівельні споруди бути захищені від статичної електрики згідно з правилами захисту від статичної електрики.
Особливо суворо необхідно додержувати правил безпеки при застосуванні відкритого вогню. У разі спалаху рідкого або газоподібного водню слід надати йому доступ до осередку пожежі [22]. Водночас приймаються заходи, що запобігають розповсюдженню вогню на навколишні об'єкти. Для гасіння локальних водневих вогнищ рекомендовано використовувати рідкий і газоподібний азот, двооксид вуглецю, розпорошену воду або водяну пару.
Норми та необхідну кількість первинних засобів пожежегасіння в приміщеннях визначається відповідно до правил, наведених у роботі. Обладнання споруд засобами захисту від блискавки слід виконувати відповідно до вимог.
Необхідно суворо додержуватися таких умов безпеки в приміщеннях, де розташоване водневе обладнання:
електричні прилади повинні бути виконанні у вибухонебезпечному варіанті;
слід забезпечити заземлення всіх вузлів та агрегатів обладнання загальних заземлюючим дротом;
покриття підлоги не повинно накопичувати статичну електрику;
вентиляція повинна забезпечувати відведення повітря на рівень підлоги й відведення газу з самого високого рівня приміщення;
роботи слід виконувати тільки із застосуванням іскробезпечного бронзового інструменту;
аналіз атмосфери слід виконувати так, щоб у випадку виникнення небезпечних концентрацій водню разом з подачею відповідних аварійних сигналів було ввімкнуто додаткову вентиляцію;
водневомісткі гази, які викидаються через запобіжні клапани, слід відводити до атмосфери за допомогою спеціального газозбірного колектора вище коника не менш ніж на 0,7м;
трубопроводи рідкого водню повинні мати компенсатори, а ємкості - запобіжні клапани (дихальні) при мінімальній кількості фланцевих сполучень;
заборонено перекачувати рідкий водень по тепло неізольованих трубах і зберігати у тепло неізольованих сховищах.
Висновки
1. Застосування водню в ДВЗ перспективно, так як значно підвищує його екологічність
2. Розвиток водневого ДВЗ стримується дорожнечею, існують способи отримання водню, але в перспективі можливо безпосереднє видобуток водню з надр, що корінним способом збільшить ефективність застосування водню
3. Із існуючих способів зберігання водню на борту транспортного засобу найбільш ефективним та безпечним є використання металогідридних акумуляторів. При використання дешевих наповнювачів, вони мають більший вагу, яке важчає транспортний засіб. Але при використання в конструкції автонавантажувача, цей надлишковий ваги, використовується в якості противаги, що підвищує стійкість при роботі
Порівняльна характеристика серій досліджень водневих зразків двигуна УМЗ-717, дозволяє зробити наступні висновки
1) максимальна ефективна потужність водневого варіанти двигуна УМЗ-417 зі збільшеною до значення 8,8 ступенем стиснення та поліпшеними газодинамічні властивостями впускного тракту близька до потужності бензинового прототипу і становить 38,1 кВт при n = 2800 мін1;
2) переклад двигуна на живлення воднем дав можливість збільшити ефективний ККД при роботі із зовнішньої швидкісної характеристики в середньому на 13%, а на режимах часткових навантажень більш ніж на 50%;
3) система зберігання водню з застосуванням металогідрида, що має місткість близько 7 кг, забезпечує безперервну роботу водневого автонавантажувача по умовному циклу протягом чотирьох з половиною годин;
4) зниження викидів оксидів азоту з відпрацьованими газами водневого автонавантажувача у порівнянні з бензиновим склало 1,5 рази, а оксид вуглецю, вуглеводні та інші токсичні компоненти практично не виділяються.
Використання водневого ДВС в автонавантажувачах, дозволяє вести роботи в закритих, погано вентильованих приміщеннях, так як в результаті вихлопу утворюється вода (пар)
Перелік посилань
1. www.vokrugsveta.ru
2. Водень ? екологічно чистий носій/ Соловей В.В., Бастєєв А.В., Форфутдінов В.В., Петухов І.І. /. Харків 2003 ? 49с.
3. Водород. Свойства, получения, хранение, транспортирование, применение/ Гамбург Д.Ю., Семенов В.П., Дубовкин Н.Ф., Смирнова Л.Н. / Подред Гамбурга Д.Ю. - : Химия, 1989-672с
4. Свойства жидкого и твердого водовода. Справочник / Под ред. Есельсона Б.Н. и др. - М.: Издательство стандартов, 1969. - 136с.
5.5 А. с.1206458 СССР. Способ работы ДВС/ Мищенко А.И., Куценко А.С., Савицкий В.Д., Байков В.А., Тихоненко Н.С. - Опубл. в БИ, 1986. - №3.
6.А. с.1206458 СССР. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания / Мищенко А.И., Куценко А.С., Савицкий В.Д., Байков В.А. - Приоритет от 18.08.86г.
7. Преображенский В.П. Теплотехнологические измерения и приборы. - М.: Энергия, 1978. - 703с.
8. Семененко К.Н., Малышев В.П., Петров Л.А. и др. Взаимодействия LaNi5 с водородом. - Изв. АН. СССР. Неорганические материалы, 1977. - т.13, - № 11. - С. 2009-2013.
9. Мищенко А.И., Савицкий В.Д., Байков В.А. и др. Водородный автопогрузчик / Вопросы атомной науки и техники. Сер. Атомно-водородная энергетика и технология. - 1987. - Вып.3 - С.44 - 45.
10. Пат. 2006607 РФ, МКИ3 Р 02 В 43/08. Способ конвертирования двигателя внутреннего сгорания/. Савицкий В. Д, Куценко А.С., Байков В.А., Тихоненко Н.С. - №4707389/06, Заяв. 20.07.89, Опубл.30.01.94, Бюл. №2.
11. Мищенко А.И., Савицкий В.Д., Байков В.А. Оптимизация рабочего процесса водородного ДВС по степени сжатия коэффициента избытка воздуха / Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерная техника и технология. - 1989. - Вып.1 - С.73 - 75.
12. Мищенко А.И., Савицкий В.Д. Оптимизация работы поршневого ДВС на водороде. - М.: Вопросы атомной науки и техники. Сер. Атотомноводородная энергетика и технология. 1982. - вып.3 (13). - С.14-16.
13. Мищенко А.И. Применение водорода для автомобильных двигателей. - Киев: Наукова думка, 1984. - 143с.
Мищенко А.И., Савицкий В.Д., Байков В.А. способ работы поршневого двигателя с искровым зажиганием на водороде. М.: Вопросы атомной науки и техники. Сер. Атомно-водородная энергетика и технология, 1987,?вып.З. - С.33-37.
14. Соловей В.В., Бастєєв А.В., Оболенский М.А. Активизация водовода и водородосодержащих энергоносителей. - Киев: Наук. думка, 1993. - 162с
15.В. В. Соловей. Металогідридна енерготехнологічна переробка водню / Доповідні Академії наук Української РСР. Серія "А”. Фізико - математичні та техничні науки, 1983. - №3. С.13-17
16. Соловей В.В., Канило П.М. Системы аккумулирования водорода с использованием метода термохимического сжатия // Изв. Академии наук СССР. Энергетика и транспорт, 1985. - №3.
17. Водень. Термін та визначення. Держстандарт України,, ДСТУ 2655-94. - Видання офіційне. Розробки: Бастаєєва А.В., Оболенський М.О., Соловей В.В., та ін. - Київ. - 31с.
18. Воднева енергетика. Термін та визначення. Державний стандарт України ДСТУ-3027 - 95. Виданий офіційне. - Розробки: Соловей В.В., Савченко В.І., Брахтян В.А., та ін. - Київ.
19. Правила устройства электроустановок. ПУЭ. - М. Л.: Энергия, 1966 ? 180с
20. Правила защиты от статического электричества в проихводствах химической промышленности. - М.: Стройиздат, 1970. - 150с.
21. Правила пожарной безопасности при эксплуатации предприятий химической промышленности. - М.: Россельхозиздат. 1968. - 30с.
22. Указание по проектированию и устройству молнезащиты зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1969. - 180с
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Водень як один з найбільш поширених елементів на Землі. Поняття водневої технології. Методи отримання водневого палива. Різновиди водню та їх характеристика. Роль водню і водневої технології у кругообігу речовин у природі. Водневі двигуни та енергетика.
реферат [37,1 K], добавлен 25.09.2010Теорія Бора будови й властивостей енергетичних рівнів електронів у водневоподібних системах. Використання рівняння Шредінгера, хвильова функція та квантові числа. Енергія атома водню і його спектр. Виродження рівнів та магнітний момент водневого атома.
реферат [329,9 K], добавлен 06.04.2009Проходження частинки через потенціальний бар'єр. Холодна емісія електронів з металу. А-розпад важких ядер. Реакція злиття тяжкого та надважкого ізотопів водню. Скануючий тунельний мікроскоп. Вивчення квантової механіки в курсі фізики середньої школи.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 19.05.2015Процеси інтеркаляції водню матеріалів із розвинутою внутрішньою поверхнею. Зміна параметрів кристалічної гратки, електричних і фотоелектричних властивостей. Технологія вирощування шаруватих кристалів, придатних до інтеркалюванняя, методи інтеркалювання.
дипломная работа [454,6 K], добавлен 31.03.2010Основи теоретичного опису розрідженого бозе-газу сформульовані М.М. Боголюбовим. Квантово-механічні хвильові пакети. Вивчення спін-поляризованого водню. Посилення атомів та решітка вихорів в бозе-айнштайнівському конденсаті. Дворідинна модель гелію-II.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 15.12.2013Світ шукає енергію. Скільки потрібно енергії. Альтернативні джерела енергії. Вітрова енергія. Енергія річок. Енергія світового океану. Енергія морських течій. Енергія сонця. Атомна енергія. Воднева енергетика. Сучасні методи виробництва водню.
дипломная работа [40,8 K], добавлен 29.05.2008Використання ядерної енергії у діяльності людини. Стан ядерної енергетики України. Позитивні та негативні аспекти ядерної енергетики. Переваги атомних електростанцій перед тепловими і гідроелектростанціями. Екологічні проблеми атомних електростанцій.
презентация [1,7 M], добавлен 29.04.2015Плюси і мінуси галузі з точки зору екології. Атомна енергетика. Гідроенергетика. Теплові, вітрові, сонячні електростанції. Проблеми енергетики. Екологічні проблеми теплової енергетики, гідроенергетики. Шляхи вирішення проблем сучасної енергетики.
реферат [26,3 K], добавлен 15.11.2008Електромагнітні імпульси у середовищі, взаємодія електромагнітних хвиль з речовиною. Квантовій опис атомів і резонансна взаємодія з електромагнітним полем, площа імпульсів. Характеристика явища фотонної ехо-камери та його експериментальне спостереження.
курсовая работа [855,2 K], добавлен 13.08.2010Трансформатор як статичний електромагнітний пристрій, його структура, основні елементи та їх взаємодія, принцип роботи та призначення, сфери застосування. Режими роботи трансформаторів, характеристики обмоток в стані короткого замикання, високої напруги.
лабораторная работа [117,2 K], добавлен 06.02.2010
