Аналіз роботи теплового двигуна з домішками водню шляхом отримання характеристик системи

Размещено на http://www.allbest.ru/

АНАЛІЗ РОБОТИ ТЕПЛОВОГО ДВИГУНА З ДОМІШКАМИ ВОДНЮ ШЛЯХОМ ОТРИМАННЯ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ

Демідова Н.П., аспірант четвертого року

навчання спеціальності 05.22.20 - Експлуатація

та ремонт засобів транспорту, старший викладач

кафедри «Технічна експлуатація флоту»

Використання водню як основного палива теплового двигуна в даний час не представляється доцільним через високу вартість водню і труднощі його зберігання у великих кількостях. До теперішнього часу промисловістю не освоєний випуск малогабаритних, з великою енергоємністю, засобів зберігання водню на борту судна. Крім того, для успішного вживання водню на транспорті необхідне також вирішення проблеми його безпечного зберігання на борту судна.

Одним з найбільш прийнятних варіантів вирішення даних проблем є спосіб, в якому в якості енергоносія на судні використовується не сам водень, а який-небудь безпечний і зручний при зберіганні сировинний продукт, з якого безпосередньо на борту судна можна було б шляхом його термохімічного перетворення отримувати газоподібні продукти з високим вмістом водню.

У якості сировинного продукту для здобуття палива з домішками водню, в принципі, може бути використане традиційне моторне паливо, оскільки масовий вміст водню в ньому складає близько 15 %. Проте, на шляху розвитку подібних систем здобуття водню виникає ряд серйозних проблем, стримуючих на даний момент їх впровадження в промисловість: високий температурний рівень дисоціації (конверсії) цього виду рідких вуглеводнів обумовлює необхідність додаткових витрат теплової енергії на організацію конверсійного процесу; присутність сірки в моторному паливі унеможливлює використання каталізаторів.

Твердження, що водень виступає саме в якості каталізатора процесу горіння, основане на тому, що при незначній його кількості, незважаючи на високу теплотворну здатність (Q_н = = 120 МДж/(кг·К)), його кількість (до 1,0 % по масі) не впливатиме на горіння як додаткове паливо. Проте, наявність водню в циліндрі стимулюватиме сам процес горіння та виступатиме саме в якості каталізатора.

Одним зі шляхів щодо вирішення проблеми є використання малих (0,2…1,0 % по масі) домішок водню до основного рідкого палива двигуна. При цьому слід зауважити, що водень в даному випадку використовується не як енергоносій, що заміщує вуглеводневе паливо, а у якості каталізатора процесу вигоряння зазначеного палива у циліндрах двигуна.

Ефективність активування паливно-повітряної суміші воднем або газовими сумішами, що містять водень, залежить від відносного вмісту водню у складі робочого тіла, газодинамічного стану реагуючого середовища, які в сукупності визначають тимчасову (кінетичну) і просторову протяжність активованої зони камери згоряння, а також сумарний ефект активації за вихідними показниками двигуна, що визначають його еколого-економічні якості. В результаті дії активуючих компонентів умовна енергія активації основної маси паливно-повітряної суміші, що характеризує її реакційну здатність, зменшується, що пов'язано зі зменшенням участі в сумарному хімічному процесі реакцій самозародження, що вимагають великих енергій активації.

Відмічені складнощі, пов'язані з організацією процесу конверсії традиційних моторних палив, викликають необхідність пошуку інших сировинних джерел для здобуття газів, які містять водень. До них можуть бути віднесені, зокрема, вуглеводневі з'єднання, що мають простішу в порівнянні з моторними паливами молекулярну структуру і знижену температуру дисоціації. При цьому переважнішими для вживання в двигунах є з'єднання, що мають рівні температури дисоціації і теплових ефектів в ендотермічних реакціях розкладання (витрати теплової енергії на подолання внутрішньомолекулярних зв'язків), сумірні з температурою і енергією відпрацьованих газів на випуску двигуна. Очевидно, що в цьому випадку обумовлюється реальна можливість використання «безкоштовної» теплової енергії відпрацьованих газів для організації конверсійного процесу, що виключає необхідність в додатковому джерелі теплоти [1].

При отриманні водню в лабораторії вибирають ті вихідні продукти, водень з яких виділяється найлегше. Здебільшого водень в лабораторіях отримують електролізом водних розчинів KOH або NaOH. На виготовлення електродів йде зазвичай листовий нікель, бо він не піддається корозії при зануренні в розчин лугу. Концентрацію цих розчинів підбирають відповідно до максимального показника їх електропровідності (34% для KOH і 25% для NaOH). [2] водень паливо тепловий двигун

На рис. 1 зображено електролизер для отримання водню і кисню з води. Винахід відноситься до пристроїв для отримання водню і кисню електролізом води.

Електролизер містить в собі корпус, розміщені в ньому послідовно сполучені між собою вічка, що складаються з катода, анода, розміщеної між ними газозапірної мембрани, насоси для циркуляції лужного електроліту, ємності з лужним електролітом, систему подачі води, пристрій для відділення кисню від пари води і лугу, пристрій для відділення водню від пари води і лугу.

Анод кожного вічка має вигляд труби з сітчастого матеріалу, а катод виглядає як порожнистий циліндр з пористого матеріалу. Причому анод і катод кожного з вічків розміщені впритул до газозапірної мембрани з утворенням катодної газової порожнини між зовнішньою стороною катодів і корпусом, сполученою з місткістю газозатвора місткістю лужного електроліту і пристроєм для відділення водню від пари води і лугу.

Вічка, сполучені анодними порожнинами з теплообмінниками та з ємністю, що містить лужний електроліт, яка, в свою чергу, сполучена з пристроєм для відділення кисню від пари води і лугу та системою подання води.

Досягаючи анода, негативний іон передає аноду свій негативний заряд, завдяки цьому один або декілька електронів (в залежності від заряду іона) проходять по зовнішньому електричному колу, а іон перетворюється в нейтральний атом або молекулу, що виділяється на аноді. Позитивний іон запозичує від катода один або кілька електронів і, нейтралізуючись, виділяється на катоді. Водень виділяється завжди на катоді і є катіоном, тобто іони водню завжди заряджені позитивно. Заряд електролітичного іона пропорційний валентності речовини, іони двовалентних речовин мають вдвічі більший заряд, тривалентних речовин - втричі більший і т.д. [3]

Рисунок 2 Схема електролизера для отримання водню і кисню з води

Пропускаючи через електроліт, в якому розміщені два електроди, протягом певного часу електричний струм, на електроді, що з'єднаний з негативним полюсом джерела, буде осідати водень, а на електроді, що з'єднаний з позитивним полюсом джерела, буде осідати кисень. По мірі наповнення цих газів їх парціальний тиск зростає і коли він стане рівним атмосферному тиску, почнеться виділення газів у вигляді бульбашок.

Якщо відключити джерело струму, то водень і кисень будуть з електродів переходити назад в електроліт у вигляді іонів. Для зменшення прагнення іонів перейти в електроліт, необхідно прикласти напругу, що компенсує їх перехід з електродів в електроліт. Поляризація електродів відбувається при електролізі за умови, що виділяються речовини, які відрізняються від матеріалу електродів.

При розкладанні розчину води з використанням сталевих електродів на електродах будуть виділятися Н₂ і О₂ і з'явиться відповідна їм електрорушійна сила поляризації.

При відключенні джерела струму один електрод виявиться покритим бульбашками водню, інший - бульбашками кисню, тобто виходить гальванічний елемент з ЕРС, яка дорівнює 1,23 В. Якщо прикладена напруга до електродів невелика і коли електрорушійна сила поляризації стане дорівнювати зовнішній підведеній напрузі, струм в колі припиняється і електроліз зупиняється.

Необхідно поступово підвищувати напругу, яка призведе до збільшення парціального тиску газів на електродах і електрорушійної сили поляризації. Коли парціальний тиск Н₂ і О₂ на електродах досягне атмосферного, почнеться їх виділення у вигляді бульбашок, після чого кількість газів на електродах вже не буде змінюватися і електрорушійна сила поляризації досягне свого максимального значення, що дорівнює потенціалу кисню відносно водню. Після досягнення цієї напруги в електроліті з'явиться струм, який буде збільшуватися зі збільшенням напруги і почнеться виділення Н₂ і О₂ на електродах. Щоб виділити іони певного сорту з розчину, необхідно прикласти напругу, що компенсує їх прагнення перейти назад з електрода в розчин.

На кафедрі технічної експлуатації флоту було проведено лабораторні дослідження залежності продуктивності установки від напруги на клеммах електролизера для розчинів різної концентрації (5 %, 10 %, 15 %) (рис. 2).

Рисунок 2 Залежність продуктивності установки Q (л/год) від напруги U (В) на клеммах електролизера

Дослідження малих домішок водню до основного дизельного палива двигуна, які були проведені в лабораторії перспективних енергетичних технологій Центру досліджень проблем безпеки РАН, дають змогу стверджувати, що домішки водню приводять до інтенсифікації процесу вигоряння дизельного палива (особливо важких сортів) таким чином, що робочий процес двигуна зміщується вліво, що наближає його до процесу при постійному об'ємі. Застосування невеликих добавок водню до дизельного палива або суміші його з повітрям дозволяє поліпшити якість сумішоутворення і горіння палива в циліндрах двигуна. Водневі добавки приводять до зменшення швидкості процесів спалаху і зменшення періоду затримки запалення. Було встановлено також, що при цьому спостерігається перерозподіл теплового балансу двигуна: зменшуються частки тепла, яке викидається у навколишнє середовище системою охолодження та з випускними газами. Це приводить до підвищення ККД двигуна на 0,5…5,0 % у залежності від кількості домішок водню та навантаження, що також підтверджується результатами інших дослідників. Так дослідження показали, що малі домішки водню позитивно впливають роботу двигуна на часткових та перехідних режимах, а також при використанні важких сортів основного дизельного палива. У цих випадках відносний позитивний ефект є найбільшим. Однак, отримані результати мали якісний характер та не дозволяють розробити методики розрахунку робочих процесів з використанням домішок водню, остаточно визначити раціональну кількість подачі водню у циліндри дизельного двигуна, надати практичні рекомендації щодо модернізації теплового двигуна при використання таких домішок. [5].

Для генерування газоподібних продуктів, які містять водень, на кафедрі технічної експлуатації флоту національного університету «Одеська морська академія» був розроблений макет, а саме: системи подачі газу Брауна (ННО) в аварійний дизель-генератор PowerTech ^TM 4045 DFM70 на базі John Deere 4045d [6; 7]. На рис. 3 зображено установку для отримання газу Брауна, який містить суміш водню і кисню в пропорції три до одного, на основі електрогідролізеру HYPO-3.0.

Рисунок 3 Зовнішній вигляд установки для отримання газу Брауна

Висновок

Прийнятним для двигуна є часткова заміна воднем вуглеводневого палива, тобто подача в циліндри двигуна поряд з основним паливом невеликих добавок водню, що дозволяє підвищити експлуатаційну ефективність двигунів та їх екологічну безпеку. Використання водню у вигляді невеликих домішок до органічного палива двигунів або паливо-повітряної суміші суднових енергетичних установок не створює проблем, пов'язаних з його виробництвом і зберіганням. Використання екологічно чистих водневих добавок особливо доцільно при входженні суден в прибережні акваторії і порти, коли основне навантаження припадає на високотоксичні дизель-генератори. Застосування водню для суднових двигунів доцільно з метою досягнення мінімального можливого рівня токсичності відпрацьованих газів, адже за рахунок зниження кількості дизельного палива, що подається в циліндр, істотно знижуються шкідливі викиди оксидів вуглецю СОх. Однак висока максимальна температура згоряння суміші визначає високий рівень вмісту в викидних газах окислів азоту NОx, але зниження емісії оксидів азоту можливо за рахунок збідні ння робочої суміші, а також за рахунок подачі на впуск води, яка нормалізує процес згоряння.

Список використаної літератури

[1] Фомин, В. М. Применение водорода в качестве компонента смесевого топлива для транспортных дизелей /В. М. Фомин, М. М. Бендик, М. И. Сидоров. М.: Изд-во МГГУ, Горный информационно-аналитический бюллетень, - 2006. №12. С. 161-167.

[2] Демідова, Н. П. Виробництво та зберігання водню /Н. П.Демідова// Матер. наук.-техн. конф. «Морський та річковий флот: експлуатація та ремонт» секція № 1 «Експлуатація і ремонт транспортних засобів морського та річкового флоту» 18-19.03.2020. Одеса: НУ «ОМА», 2020. С. 32-38.

[3] http://www.findpatent.ru/patent/250/2501890.html

[4] Голіков, В. А. Дослідження процесу отримання водневого палива: методичні вказівки до лабораторного заняття з дисципліни «Технологія використання робочих речовин» /Н. П. Демідова, В. Л. Кулик. Одеса: НУ «ОМА», 2019. 25 с.

[5] Тимошевський, Б. Г. Поліпшення робочих характеристик дизельних двигунів за допомогою додавання водню /Б. Г. Тимошевський, М. Р. Ткач, Д. О. Шалапко. Водний транспорт. 2016. Вип. 2. С. 24-28.

[6] Hydro-oxygen systems (HHO systems) for the fuel economy [Internet]. Available from: http://hydroxypower.com/?cat=3.

[7] Лисенко, В.Є. Комп'ютерно-інтегрована система подачі газу в судновий дизель-генератор за допомогою п'єзоперетворювачів Дис.... канд. техн. наук: 05.13.05. Національний університет «Одеська морська академія», 2020. 176 с.

Размещено на Allbest.ru