Дипломная работа: Новые транспортные двигатели
Дипломная работа: Новые транспортные двигатели
1.
Введение.
Значительную роль в
использовании природных энергетических источников играют транспортные средства,
потребляющие около трети всей добываемой в мире нефти, причем из всех видов
транспорта наиболее энергоемким является автомобильный. Использование в автомобилях
углеводородных топлив нефтяного происхождения сопровождается выбросом в
атмосферу огромного количества вредных веществ. В результате на автомобильный
транспорт приходится от 39 до 63% загрязнения окружающей среды, масштабы
которой глобальны – воздух, суша и вода.
Традиционный подход к
решению энерго-экологических проблем автомобилизации заключается в улучшении
конструкции существующих двигателей внутреннего сгорания и создании более совершенных
энерго- силовых установок нового типа при использовании более или менее обычных
углеводородных топлив. В первом случае основное внимание уделяется повышению
экономичности и снижению токсичности автомобилей путем сложной коррекции
рабочего процесса в двигателе с целью обеспечения максимальной полноты сгорания
топлива на всех рабочих режимах.
Новые транспортные
двигатели, разработанные к настоящему времени, включают электрические силовые
установки и тепловые двигатели внутреннего и внешнего сгорания с
нетрадиционными рабочими процессами. К последним относят поршневые двигатели с
послойным распределением заряда, газотурбинные, паровые и роторные двигатели, а
также двигатели Стирлинга. Некоторые из этих двигателей, в частности двигатели
Стирлинга, в принципе могут обеспечить возможность создания малотоксичного
автомобиля на обычных топливах, удовлетворяющего будущим жестким нормам.
Большой интерес
представляют электрические силовые установки использующие электрохимические
источники энергии – аккумуляторные батареи и топливные элементы.
За последние несколько
лет построено большое количество опытных образцов электромобилей. В
электромобилях более перспективно применение топливных элементов, конвертирующих
электрическую энергию непосредственно из топлива без промежуточной стадии.
Благодаря успехам в этой области в последние годы удельная мощность водородо –
кислородных топливных элементов увеличилось до 300 Вт/ч, а срок их службы
повысился до нескольких лет при периодическом использовании. Основная проблема
применения топливных элементов этого типа – трудность хранения водорода на
автомобиле. Объемно-массовые показатели наиболее приемлемого варианта
аккумулирования водорода в виде гидридов пока еще неудовлетворительны и
находятся на уровне разрабатываемых электрохимических батарей. Поэтому
практический интерес представляет применение топливных элементов с кислым
электролитом, использующих в качестве рабочего тела смеси газов: водорода,
метана, окиси углерода и др. эти элементы могут работать на жидких
углеводородных топливах, в частности на метаноле, благодаря чему энергосиловые
установки на их основе по удельной мощности приближаются к современным
автомобильным двигателям.
Альтернативные приводы и
источники энергии, не наносящие ущерба окружающей среде, называют надеждой
завтрашнего дня. Топливные элементы считаются самым оптимальным решением энергетических
проблем: из водорода и кислорода вырабатывается электрический ток, который
используется для привода двигателя. В результате электрохимического процесса,
помимо электрической энергии, образуются только тепло и водяной пар [ ].
Для промышленного
получения водорода было предложено большое количество различных способов.
Однако перечислять все способы и патенты по производству водорода нет нужды;
это представляет главным образом исторический интерес, поскольку большинство из
предложенных способов вообще не было осуществлено в промышленном масштабе, а в
практических условиях оправдали себя лишь некоторые из них.
Основные методы получения
водорода в промышленности можно сгруппировать в следующие: а) химические
методы; б) электрохимические методы; в) физические методы.
К химическим методам
относятся те процессы, в которых исходным веществом для получения водорода
является химическое соединение (или ряд химических соединений) водорода с
другими элементами, и откуда водород получается при помощи тех или иных химических
реакций.
Под электрохимическими
следует понимать те методы, где выделение водорода из его химических соединений
осуществляется разложением последних под действием электрического тока.
К физическим методам
следует причислять те процессы, в которых исходное сырьё (газовая смесь) уже
содержит свободный водород и требуется тем или иным физическим путём (например,
фракционной конденсацией) освободить его от остальных компонентов.
Химическими методами
водород в промышленности получается следующими путями.
1) Из водяного пара восстановлением его
железом (железо - паровой способ) или углеродом (газификация кокса, каменных и
бурых углей и других видов твёрдого топлива на водяной газ).
2) Из газообразных углеводородов
термическим разложением или конверсией с окислителями (Н2О, О2,
СО2).
3) Из жидких углеводородов термическим
разложением или неполным окислением (газификацией) с применением в качестве
окислителей Н2О и О2.
Необходимо отметить, что
при получении водорода из углеводородов с применением в качестве окислителя
водяного пара последний является дополнительным источником водорода.
Следует также указать,
что при химических методах (за исключением способов железо – парового и
термического разложения) процесс получения водорода ведётся обычно в две
ступени. При этом на первой ступени получают, как правило, смесь Н2
+ СО (водяной газ). В случаях необходимости иметь чистый водород (без СО)
водяной газ направляют на следующую ступень – конверсию СО.
При переработке
газообразных углеводородов в азотоводородную смесь, в которой остаточное
содержание углеводородов (метана) должно быть минимальным, процесс иногда
ведётся в три ступени. На первой ступени имеет место конверсия исходного
углеводородного газа с водяным паром; на второй ступени – конверсия остаточного
СН4 с кислородом воздуха; на третьей ступени – конверсия окиси углерода.
Конкретным сырьём для
получения водорода из газообразных углеводородов при термическом разложении
служат любые углеводородные газы, не содержащие кислородных соединений, или
содержащие их в незначительном количестве, как природные так и попутные газы,
газы нефтепереработки и газы гидрирования.
При конверсии
газообразных углеводородов с водяным паром углекислотой или кислородом сырьём
являются: а) природные и попутные газы; б) газы нефтепереработки, в) газы
гидрирования; г) жидкие газы (пропан, бутан); д) коксовый газ; е) метановая
фракция после выделения водорода из коксового газа методом глубокого охлаждения.
При неполном окислении
жидких углеводородов в качестве сырья применяются преимущественно нефтяные
остатки.
При электрохимическом
способе производства водород получается электрохимическом разложением воды
(водных растворов).
Физические методы
получения водорода представляют в настоящее время преимущественно способы
выделения его из газовых смесей ступенчатым охлаждением последних до низких
температур, при которых имеет место ожижение компонентов газовой смеси, кроме
водорода. Исходными газовыми смесями в данном случае являются коксовый газ,
газы гидрирования, отходящие побочные газы установок каталитической
ароматизации (риформинга) и метан-водородные фракции [ ].
2.Водород
как топливо.
Всем понятно, что запасы
нефти и газа рано или поздно кончатся. Можно делать прогнозы, прикидывать,
через сколько лет это произойдет, - кто-то остановился на числе 50, кто-то – на
70, а некоторые считают, что удастся протянуть еще лет сто. Но рано или поздно
это случится. Последнее время именно элемент номер 1 таблицы Менделеева стал
первым кандидатом на роль топлива будущего. Об этом говорят во всех развитых
странах, в это вкладывают деньги. Водородная энергетика действительно очень
экологична – первый элемент дает при сгорании только воду. Но существующие
технологии (как производства самого водорода, так и получения из него
электроэнергии) весьма далеки от совершенства.
Гиганты химической
индустрии и сегодня уже получают по 500 млрд. м3 водорода в год.
Половина производимого количества идет на аммиачные удобрения, остальное – на
производство стали, стекла, маргарина… В основном водород получают паровым риформингом
природного газа: метан при высоких температурах (900єС) реагирует с паром в
присутствии никелевого катализатора. Пока такой водород самый дешевый (его цена
ниже, чем у электролизного, примерно в три раза). Исследования последних лет
показывают, что цену водорода можно уменьшить еще в два раза: ИВЭПТ РНЦ
«Курчатовский институт» вместе с предприятиями Госкомоборонпрома разработал
плазмохимический метод получения водорода из природного газа, более дешевый и к
тому же с лучшими экологическими параметрами производства. Но если через 10 лет
мир начнет постепенно переходить на водородные топливные элементы, водорода
надо будет делать намного больше. Если увеличить существующее производство в 25
раз, то это к 2050 году покроет только 20% энергетической потребности в топливе.
Есть и другие технологии
получения водорода, помимо риформинга природного газа: например – электролизом,
крекингом или из биомассы. Каждый из этих вариантов имеет свои недостатки. Например,
переработка биомассы (древесины, соломы): ее нагревают до 500-600єС, после чего
получаются спирты – этанол, метанол, которые, в свою очередь, превращаются в
водород. Можно нагреть биомассу до более высоких температур (1000єС), тогда она
полностью превратится в газ и получится смесь Н2 и СО. Проблема в
том, что сырья для такого процесса понадобится очень и очень много. Если,
например, всю плодородную землю Франции пустить на выращивание биомассы, то
водорода, полученного из нее, не хватит даже для того, чтобы покрыть ее
потребности в бензине для ныне существующих автомобилей.
Казалось бы, самый
простой способ получения водорода – электролиз воды. Результат – водород и
кислород. Но в целом эффективность этого процесса не очень велика: надо
потратить 4 кВт, чтобы получить 1 мі водорода, который даст 1,8 кВт в топливном
элементе. Тем не менее электролиз воды довольно перспективен, и ему наверняка
найдут применение. Во-первых, можно использовать энергию атомной станции в часы
слабой нагрузки (когда энергия все равно вырабатывается и оказывается
невостребованной) или, в конце концов, возобновляемые источники энергии
(солнечные батареи, энергию ветра, прилива и прочие). Во-вторых, эта технология
активно развивается: электролиз для большей эффективности можно проводить при повышенном
давлении или температуре, что и пытаются сделать ученые.
Сейчас биологи активно
разрабатывают еще одно направление. Некоторые бактерии и водоросли в процессе
фотосинтеза разлагают воду и выделяют водород. Проблема в том, что они делают
это только в отсутствие кислорода, соответственно процесс длится очень короткое
время. Задача ученых – с помощью генной инженерии продлить этот период, тогда
солнечные районы нашей планеты были бы обеспечены водородом.
Параллельно с
техническими проблемами получения водорода надо решать и другие: создавать
специальную инфраструктуру, обеспечивающую его хранение и перевозку. Это тоже
весьма непростая и недешевая задача, поскольку водород горит и взрывается.
Когда в серийном производстве появится водородный автомобиль, именно это станет
лимитирующей стадией его внедрения.
Несмотря на трудности,
по-видимому, в повседневную жизнь всех граждан скоро войдут топливные элементы
на водороде. Слишком велики ставки, слишком большие вложены деньги в их разработку.
Приоритетные направления исследований западных фирм – топливные элементы малой
мощности (от 500 Вт до 5 кВт) для портативных компьютеров, маленьких автомобилей,
домов, а также средней мощности (200 кВт) – для общественного транспорта. Пока
они далеки от совершенства и стоят недешево: для автомобиля – в двадцать раз
дороже стандартного двигателя, а для обогрева дома – в двенадцать раз дороже
своего аналога. Но процесс идет настолько интенсивно, что европейцы обещают
через четыре года выбросить на рынок водородный топливный элемент для обогрева
дома всего за 6000 евро [ ].
Водород универсален, он
является и горючим, и химическим сырьём. Водород удобен при хранении. Даёт
возможность гибкого решения проблемы отбора энергии в условиях переменной
потребности в нём, имеет высокую теплоту сгорания.
Универсализм водорода
состоит в том, что он может заменить любой вид горючего в различных отраслях
производства, в промышленности, на транспорте, в энергетике. Он способен
заменить природный газ для бытовых целей, бензин – в двигателях внутреннего
сгорания, специальные виды горючих – в ракетных двигателях, ацетилен – в
процессах сварки металлов, кокс – в металлургических процессах, метан – в
топливных элементах, углеводороды – в ряде микробиологических процессов,
углерод – во многих процессах, требующих восстановителя. Водород может быть
легко использован и на небольших передвижных или стационарных энергетических
установках, в газовых турбинах для генерирования электроэнергии и в крупных
топках и печах; может и храниться в любых количествах. Его использование в
качестве энергоносителя не потребует коренных изменений в современной
технологии топливоиспользования.
Использование водорода
как энергоносителя позволяет рассматривать и решать энергетические проблемы в
тесной связи с экологическими. Создаются благоприятные возможности для
уменьшения образования твёрдых отходов, вредных газовых выбросов и ликвидации
парникового эффекта. При водородной энергетике кислород, который получается из
воды одновременно с водородом, может использоваться для биохимической очисти
сточных вод, в качестве окислителя при сжигании твёрдых отходов.
2.1.
Физические свойства водорода.
При нормальной
температуре водород представляет собой бесцветный газ без запаха. Газофазный
водород состоит из 25% пароводорода и 75% ортоводорода. При сжижении водорода
происходит самопроизвольная медленная орто – пара конверсия, поэтому жидкий
водород практически на 100% состоит из параводорода.
Основные физические
показатели водорода [ ]:
Температура
кипения………………………………… -252,76єС (20,24 К)
Температура
застывания…………………………….. -259,2єС (13,8 К)
Критическая
температура…………………………….-239,97єС (32,9 К)
Критическое давление………………………………...1,27
МПА (12,87 кгс/см2 )
Плотность при
НУ……………………………………...0,08987 кг/м3
» при температуре
кипения……………….....0,07097 г/см3
» при температуре
застывания………………0,0896 »
Коэффициент вязкости при
температуре:……
застывания…………………………………………240·10-6
сП
кипения……………………………………………..131·10-6
сП
Жидкий водород
представляет собой бесцветную жидкость без запаха, отличающуюся высокой
степенью криогенности. Водород сжижается при 20 К, а при 14 К переходит в
твердое состояние, т. е. в жидкофазном состоянии он находится в узком диапазоне
температуры – около 6є. В этой области возможно образование промежуточной формы
водорода – шугообразной, представляющей собой смесь жидкого водорода с твердым
водородом в виде льда, плавающего в жидкости. Для образования шуги в жидком
водороде требуется его небольшое – до 0,7єС переохлаждение. В шугообразной
форме плотность водорода повышается до 0,08-0,087 г/см3 и становится
максимальной при полном застывании.
Газообразный водород
отличается высокой диффузионной способностью. На пример, коэффициент диффузии
водорода в воздухе более чем в 3 раза выше по сравнению с такими компонентами,
как метан, кислород и двуокись углерода. Среднее значение коэффициента Dо диффузии Н2 в различных средах
представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Среда |
О2
|
N2
|
СО2
|
СО |
СН4
|
Воздух |
D0·104,
мІ/с
|
0,69 |
0,7 |
0,54 |
0,6 |
0,625 |
0,61 |
Водород обладает
способностью проникновения через толщу материала, в частности металлов. Это
отрицательное явление ведущее к ухудшению свойств материала, получило название
наводороживание. С повышением давления и температура диффузия водорода в металлы
возрастает. Глубина наводораживания, т.е. проникновения молекул водорода в
кристаллическую решетку металла, в большинстве случаев не превышает 4-6 мм, а
при нагортовке материала может быть снижена до 2-1,5 мм. Для алюминия наводороживание
достигает 15-30 мм, а при нагортовке уменьшается до 4-6 мм. В случае сталей водородная
диффузия практически полностью устраняется путем легирования с помощью хрома,
молибдена, вольфрама и других элементов.
Водородо – воздушные
смеси характеризуются широкой областью воспламенения (4-75% по объему) и
взрываемости (18,3-74% по объему), что повышает их пожаро- и взрывоопасность. В
то же время водород отличается высокой температурой воспламенения (590єС) и
способностью к быстрому рассеиванию в воздушной среде, благодаря чему по
суммарным показателям безопасности он примерно равноценен природному газу. При
загрязнении технологическими примесями взрывоопасность водорода увеличивается.
Поэтому основным условием безопасной работы с водородом в закрытых помещениях
является контроль за его содержанием в воздухе и возможными утечками.
Страницы: 1, 2, 3, 4
|