Лекция 11. Водород (Лекции)

Московский государственный технический университет им. Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода всиловых установках споршневыми двигателямик.т.н. Зеленцов А.А.Москва, 2016Московский государственный технический университет им. Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДВопросы, рассматриваемые на лекцииИстория исследований водорода в качестве моторноготоплива.Особенности производства водорода и его хранения на бортутранспортного средства.Особенности рабочего процесса водородного двигателя.Топливные элементы как источник энергии в силовыхустановках наземного транспорта.Примеры использования водорода на транспортныхустановках.2Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДОсобенности использования водорода натранспортных установкахВодород (синтез газ)Потенциальные областипримененияТрадиционные областипримененияхимия;металлургия;ДВСГазовыетурбиныТопливныеэлементыкосмос;пищеваяпромышленность;Подача водорода вгазообразном состоянииВо впускнойколлекторПодача водорода вжидком состоянииВ камеру сгоранияи т.п.Добавка водорода ктрадиционным топливам3Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДКраткая хронология исследований и примененияводорода4Московский государственный технический университет им. Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДКраткая хронология исследований и примененияводорода5Московский государственный технический университет им. Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДКраткая хронология исследований и примененияводорода6Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДИсследования водорода как моторного топлива вРоссииПост ПВОЛенинградского фронтаВОВ, оборудованныйводородной установкойВ России практическое применениеводорода в качестве моторного топливаначалось в 1941 г.Портрет техника-лейтенантаБ.И. Шелища работы Рязаева А.А.(2005)7Московский государственный технический университет им. Н.Э.

БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДИсследования водорода как моторного топлива вРоссииБензоводородныеавтопогрузчик иавтомобиль «Волга» сметаллгидриднымиаккумуляторамиМоторный отсек Бокса №20 дляиспытаний ДВС на водороде Отделамоторных лабораторий НАМИВодородныймикроавтобусРАФ 22034(НАМИ)8Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДИсследования водорода как моторного топлива вРоссииМеталлогидридный аккумуляторводорода для автомобилей(1983 г.)21 ноября 1979 г. в Государственномреестре изобретений СССР былизарегистрированы заявки №263140 и№263141 с приоритетом изобретения22 июня 1978 г. на металлгидридныесоединения.Водородный микроавтобус РАФ натопливных элементах (НПП"КВАНТ") впервые был представленна международной выставке"Электро-82" в 1982 г. в Москве9Московский государственный технический университет им. Н.Э.

БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДПроблемы внедрения водорода в качестве топливадля силовых установок с ПДОсновные проблемы, от решения которых зависит широкое внедрениеводорода на практике:1) исследование особенностей рабочих процессов поршневыхдвигателей, работающих на водороде, а в результате созданиеводородного двигателя, заметно опережающего по эффективным иэкологическим показателям двигатели на традиционном топливе;2) разработка технологий производства и использования водорода наборту транспортного средства, хранения и транспортированияводорода на транспортном средстве.

Разработка соответствующихэтим технологиям систем питания двигателя водородом;3) обеспечение условий для функционирования транспортногосредства с водородным топливом на борту (методы и нормызаправки, обслуживания, снабжения, обеспечения безопасности ит.д.).10Московский государственный технический университет им. Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Физико-химические свойства исследуемых топливИспользование водорода в силовыхустановках с ПДТопливоПоказательБензин(Super Plus)ДТМетанВодородПлотность в жидком состоянии при p = 1,013бар и t °C; кг/м3Плотность в газообразном состоянии при p =1,013 бар и t = 0 °C; кг/м3Теплота сгорания низшая, МДж/кгЭнергоемкость, МДж/дм3в жидком состоянии при p = 1,013 бар;в газообразном состоянии при p = 350 бар;Т = 280 КОктановое число (исследовательское)Метановое числоЦетановое числоКоличество воздуха, необходимое длясгорания 1 кг вещества, кгТемпература самовоспламенения, °ССкорость ламинарного пламени в воздухе, м/с,при p = 1,013 бар, t = 25 °С, αв = 1Содержание, мас.

%CHO750-77015820-84515423-16270,8-25341,442,90,71650,00,090120,031,7-35,8-21,012,68,53,09888-52-54130100-0-14,0230-45014,725017,259534,3585≈0,40≈0,40≈0,42≈2,3085,612,22,286,113,9074,925,1001000Примечание: «-» - свойства не определялись.11Московский государственный технический университет им. Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДПроизводство водорода15-20МДж/кг на 1 м3 водорода20-22 МДж/кг на 1 м3 воды12Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДПроизводство водородаПолучение синтез-газа из метанола:1) «Сухая» конверсия (условие – отсутствие паров воды, температура взависимости от применяемого катализатора – от 250 до 500 °С)3 → 22 + 2) «Паровая» конверсия (условие – реакция протекает в присутствии паров водыи катализатора):3 + 2 → 32 + 2Продукт реакции: синтез-газ с объемным содержанием водорода от 66 до 75%.Особенности:• в продукте реакции полностью отсутствуют соединения, вызывающиезакоксовывание реактора;• монооксид углерода CO также горюч;• диоксид углерода CO2 может использоваться для разбавления рабочегозаряда для обеспечения меньшей жесткости сгорания H2.13Московский государственный технический университет им. Н.Э.

БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДПроизводство водородаСхема электролиза водыЭлектролизер водыNaCO3 + Ca(OH)2 → CaCO3↓+ 2NaOHМасса водородаμ2 ∙ ∙ = ∙ ∙ Здесь μ2 – молярная масса водорода; I – сила тока;t – время работы; qe = 1,6∙10-19 Кл – заряд электрона;NA = 6,62∙1023 моль-1; Z = 1 – валентность электрона14Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДСвойства водорода как моторного топливаКонцентрационные пределыдетонации и воспламененияводородно-воздушных смесей:1 – воспламенение,2 – детонацияКонцентрационные пределыдетонации водородно-метановыхсмесей:1 – при температуре смеси 156 ºС,2 – при температуре смеси 38 ºС15Московский государственный технический университет им. Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДОсобенности использования водорода натранспортных установкахПреимущества: Высокая теплотворная способность (Hu = 120МДж/кг, что практически в 3 раза выше, чем утрадиционных топлив). Уникальные экологические качества. Независимость от других источников топлива. В случае использования ТЭ конструкцияупрощается по сравнению с традиционнымиПД. Низкий предел воспламенения водородовоздушных смесей позволяет использоватькачественное регулирование на режимахчастичных нагрузок, что приводит кповышению КПД на этих режимах на 25-50%.Недостатки: Эффективная мощность двигателя при работе наводороде падает вследствие ухудшения наполненияцилиндра (из-за низкой плотности водорода). Высокая реакционная способность водорода вряде случаев приводит к обратным проскокампламени во впускной трубопровод,преждевременному воспламенению и жесткомусгоранию топливных смесей. Отсутствие инфраструктуры производстваводорода в необходимых для транспортаколичествах. Сложность хранения на борту ТС (высокаяпроникающая способность водорода, как следствиесложно хранить в сжатом виде; в сжиженном –только при Т от -252,8 до -259,2 °С). Сложность заправки ТС.Для топливных элементов (ТЭ): Высокая стоимость катализаторов для ТЭ. Недостаточная долговечность ТЭ (менее 5000 ч). Большое время подготовки их к работе (6-20мин).16Московский государственный технический университет им.

Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДСистемы хранения водорода на борту транспортногосредства с ПДОбъѐмно – массовые характеристики различныхсистем хранения водорода на автомобилеСжатыйЖидкийГидридводородводород(MgH2)53,513,413,418,1Объѐм топлива, м30,071,00,190,23Масса бака, кг13,061361181208,9Объѐм бака, м30,081,530,280,25671374195227ПоказательБензинМасса топлива, кгОбщая масса топливнойсистемы, кг17Московский государственный технический университет им. Н.Э.

БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДСистемы хранения водорода на борту транспортногосредства с ПД18Московский государственный технический университет им. Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Использование водорода в силовыхустановках с ПДОсобенности рабочего процесса водородного дизеляИзменение температуры в процессесжатия-расширения в цилиндре в режимепрокрутки дизеля MAN 24/30 (n = 800 мин-1)в зависимости от степени сжатия итемпературы впускного воздуха:1 – ε = 16,8, tk = 20°С; 2 – ε = 17,6, tk = 20°С;3 – ε = 16,8, tk = 65°С; 4 – ε = 17,6, tk = 75°СВлияние подогрева впускного воздуха нацикличные колебания давления pz приразличных значениях момента впрыскиванияводорода φвпр = 345° ПКВ и коэффициентаизбытка воздуха αв = 2,6: 1 – tk = 20 °С; 2 – tk= 72 °С19Московский государственный технический университет им.