Использование металлогидридных аккумуляторов водорода на борту транспортного средства

ВСТУП

Сьогодні починається третій бум водневої енергетики, коли вона стає центром уваги всіх енергетичних програм світу. Близько половини всієї енергії, що виробляється сьогодні у світі (враховуючи транспортну складову), здійснюється за рахунок використання вуглеводневих енергоносіїв, і в першу чергу - нафтопродуктів, запаси яких не безмежні. За оцінками експертів, їх вистачить ще на тридцять, максимум - сто років.

Другий глобальною проблемою сучасної енергетики є погіршення навколишнього середовища, викликане зокрема, величезними викидами токсичних продуктів згоряння та парникових газів (в основному діоксиду вуглецю). У великих містах в якості основного енергоносія використовується природний газ (82%), 14% - моторне паливо. Основні екологічні проблеми створює використання моторного палива (49%). Для міста з чисельністю населення в 1 млн. чоловік збиток від виділення вихлопних газів у навколишнє середовище оцінюється в 25,5 млн. дол Споживання кисню при спалюванні вуглеводнів у 15 разів перевершує його надходження назад в атмосферу. Транспорту все більше, а рослин все менше. І вони вже не справляються з відновленням цього дисбалансу.

У зв'язку з цим в різних країнах, в залежності від природних умов та науково-технічного потенціалу, в якості альтернативи копалин енергоносіям розглядається застосування відновлюваних джерел енергії (ВДЕ). Наприклад, в країнах Європейського союзу планується до 2020 року зниження викидів парникових газів на 20% порівняно з 1990 роком за рахунок вироблення електроенергії від ВДЕ (в основному вітрової, сонячної, біомаси), а до 2050 року частка ВДЕ у виробленні електроенергії в ЄС має скласти 60-80%. Вводяться більш жорсткі стандарти на бензин (Євро-3, Євро-4), що обмежують шкідливі викиди в атмосферу. У США великі зусилля зосереджені на програмах розробки нових моторних палив і, зокрема, по заміні бензину етанолом, який повинен поставлятися з Колумбії.

Однак у глобальному масштабі зазначені проблеми можуть бути вирішені тільки на основі використання ВДЕ та водню в якості енергоносія. Воднева енергетика (економіка) повинна вирішити дві основні проблеми вуглецевої енергетики: заповнення убуваючих запасів копалин енергоносіїв за рахунок використання води в якості необмеженої сировинної бази для одержання нового енергоносія - водню і екологічну проблему, тому що продуктами згоряння або окислення водню є пари води.

Вперше про водневої енергетики всерйоз заговорили в 1970-х рр., Під час першої нафтової кризи, пов'язаного з арабо-ізраїльської війни та рішенням ОПЕК скоротити нафтовидобуток і майже вдвічі збільшити ціни на нафту. Скорочення поставок близькосхідної нафти змусило розвинені країни серйозно замислитися про розвиток альтернативних джерел енергії.

В основу концепції водневої енергетики покладено три складові:

1) Одержання водню з води з використанням поновлюваних джерел енергії (в майбутньому - сонячної і термоядерної енергій);

2) Створення ефективних, надійних та безпечних водньоакомулюючіх матеріалів, здатних досить довго зберігати водень і виділяти його при необхідності в енергосистему;

3) Створення систем для транспортування, зберігання і використання водню в промисловості, на транспорті, у побуті.

1 Воднева енергетика

1. Розвиток водневої енергетики

Очевидно, що кожна складова паливно-енергетичного комплексу має свою історію. Іноді ця історія - наприклад, використання вугілля - триває століттями, інколи - наприклад, атома - всього лише десятиріччями. Чомусь прийнято вважати, що воднева енергетика з'явилася зовсім недавно. Відбувається це, звичайно ж, тому, що вона до сих пір не знайшла широкого застосування, хоча над проблемою освоєння одного з основних елементів таблиці Менделєєва тисячі вчених працюють дуже давно.

Вперше водень в чистому вигляді виділив 240 років тому англійський хімік Генрі Кавендіш. Властивості отриманого їм газу були настільки дивні, що вчений прийняв його за легендарний «Флогістон», «теплород» - речовина, за канонами науки того часу визначається температурою тел. Він чудово горів (а вогонь вважався майже чистим Флогістон), був надзвичайно легкий, у 15 разів легше повітря, добре всмоктується металами і так далі. Однак інший великий хімік, француз Антуан-Лоран Лавуазье, вже в 1787 році довів, що отримане Кавендіш речовина - цілком звичайний, хоча і дуже цікавий хімічний елемент. Свою назву водень отримав від того, що при горінні давай не дим, сажу і кіптява, а воду.

Аж до кінця XIX століття отримання водню було справою досить заморочливою. Добували його в мізерних кількостях, розчин звичайні метали в кислоті, а також лужні та лужноземельних у воді [1]. Тільки після того, як електрику почали робити в промислових масштабах, з'явилася можливість відносно легко видобувати його тоннами за допомогою електролізу. Електролітичні процес виглядає приблизно так: у ванну з водою опускають два електроди, на одному - позитивний потенціал, на іншому - негативний. На плюсі в результаті проходження струму виділяється кисень, а на мінусі - водень.

Проблемі використання водню як палива понад 150 років. Ще в 1820 році В. Сесіл в доповіді Кембріджському філософському товариству запропонував використовувати водень для приводу в рух машин, а перший патент на двигун, що працює на суміші водню і кисню, був виданий в Англії в 1841 році.

У Німеччині, в Мюнхені, в 1852 році придворним годинникарем Християном Тейтманом був побудований двигун, що працював (протягом кількох років) на суміші водню з повітрям. У 1920х роках Г. Ф. Рікардо і А. Ф. Брустелл виконали детальні дослідження роботи двигуна внутрішнього згоряння з зовнішнім сумішоутворення на водень-повітряних сумішах. У цих роботах, мабуть, уперше було виявлено явище зворотного спалаху, яким згодом займалися багато дослідників. В цей же час почалося і практичне використання водневих двигунів на дирижаблі фірми «Цепелін». Для них в якості палива використовувався водень, наповнюють дирижабль. У 1928 році був проведений випробувальний переліт такого дирижабля через Середземне море.

На цій посаді перший елемент Таблиці Менделєєва застосовували аж до 1937 року, коли в повітрі згорів найбільший у світі, два футбольних поля розміром, заповнений воднем німецький дирижабль «Гінденбург». Катастрофа забрала життя 36 чоловік, і на таке використання водню було поставлено хрест. З тих пір аеростати заправляють виключно гелієм. Гелій - газ, на жаль, більш щільний, але зате негорючий

Особливе місце в історії водневих двигунів займають роботи Рудольфа Еррена, виконані в 1920-30х роках. Він вперше застосував внутрішнє сумішоутворення в двигунах на водні. Водень подавався в циліндр через його стінку, що знижує небезпеку виникнення зворотного спалаху.

При цьому у двигуна зберігалася система подачі основного палива, і він міг працювати на будь-якому з палив, а також на рідкому паливі з додаванням водню. Р. Еррен перевів на водень кілька типів двигунів, в тому числі і дизельний, встановлений на автобусі «Лейленд». Успішна пробна експлуатація цього автобуса відбувалася в передмісті Лондона. Р. Ерреном був розроблений і випробуваний перший водньо-кисневий ДВС. На такті впуску в циліндр подавалася суміш кисню з водяною парою, на такті стиснення - водень. Утворюється при згоранні водяний пар частково повертався на такті впуску у двигун і частково конденсувався. Двигун міг працювати без зовнішнього вихлопу, тобто був придатний для використання у підводних човнах. В цей же час у Німеччині використовувалися автодрезини, що працюють на водні. Останній вироблявся на заправних станціях електролізом води під тиском.

У період з 1920-х до початку 1940-х років дуже важливі і численні дослідження реакції горіння водню в кисні та повітрі в різних умовах були виконані російськими вченими школи Н. Н. Семенова, вченими Німеччини, Англії, США. Таким чином, до початку Другої світової війни були закладені наукові і технічні основи використання водню як палива. Розвиток експериментальних робіт зі створення водневих двигунів було перервано війною. Однак перший успішний досвід масового використання водню як палива в автомобільних двигунах внутрішнього згоряння був здійснений під час Другої світової війни в СРСР.

У Блокадний Ленінграді в 1941 році інженер-лейтенантом Б.І. Шеліщем автомобільні двигуни ГАЗ-АА, що обертаються лебідки аеростатів загородження, були переведені на використовування водньо-повітряною сумішшю з аеростатів, що втратили плавучості. Вміст повітря в них сягав 15-20 відсотків, і зворотній спалах могла призвести до вибуху. Задля запобігання цьому Б. І. Шеліщ застосував водяний затвор, встановлений перед двигуном, і ряд інших заходів захисту з використанням доступних засобів. З 1942 року водень з аеростатів що втратили плавучость став використовуватися і Московської службою ППО. У роки війни більше 400 автомобільних двигунів для приводу лебідок аеростатів загородження працювали на водні.

У 1944 році американські військові спробували використовувати його в якості ракетного палива. Перешкодила справі висока вибухонебезпечного газу: варто було зовсім небагато відхилитися від нормальної роботи двигунів або допустити найменше протікання, і мирний водень миттю перетворювався на зловісний «гримучої газ». В результаті ракет не долітали до мети, вибуху прямо на старті. По тій же причині американцям не вдалося в 50-ті роки минулого століття побудувати водневий літак, а в 70-е, за часів нафтової кризи, - водневий есмінець.

У цьому сенсі справи в СРСР, основному тодішньому конкурента Штатів в області водневої енергетики, були більш успішні. Радянські вчені вирішили добувати з водню енергію у вигляді електрики, прямо окисли його у водному середовищі, а не підпалу в суміші з киснем. Для цього вони використовували паливні елементи, в яких водень на спеціальній іонообмінної мембрані з'єднуються з киснем, у результаті чого виходили вода і електрика. Технологія виявилася настільки зручною, що зараз без участі паливних елементів не проходить жодна серйозна космічна експедиція.

Після Другої світової війни фундаментальні дослідження процесів і розробки автомобільних двигунів на водневому паливі проводились у багатьох країнах, у тому числі в СРСР (в НДІ енергетики Казахстану, Інституті теоретичної та прикладної механіки (ІТПМ) СО АН СРСР і деяких інших організаціях), але активність досліджень в цьому напрямку суттєво знизилася. Дешева нафта і не усвідомлені ще екологічні наслідки бурхливого розвитку автотранспорту на вуглеводневих палива не залишали місця для розвитку водневих технологій в цій галузі.

Усвідомлення необхідності їх розвитку прийшло на початку 1970-х років, одночасно з першим нафтовим кризою і різким загостренням екологічної ситуації у великих містах. До цього часу відноситься початок активної фази НДДКР по створенню водневих транспортних засобів та інфраструктури їх паливо забезпечення.

На початок 1980-х років в США, Японії, Німеччини, СРСР, Канаді та ряді інших країн були створені експериментальні водневі автомобілі з двигунами внутрішнього згоряння, що працюють на водні, бензоводневих сумішах, сумішах водню з природним газом і з різними системами зберігання водню на борту автомобіля: у вигляді гідридів інтерметалевих сполук, у рідкому і газоподібному стислому стані.

Трохи пізніше вчені все ж таки придумали, як використовувати водень як саме пального і при цьому не вибухнути. В газ стали додавати спеціальні присадки-інгібітори (хімічні «гальма»). Наприклад, пропілен. Всього один відсоток цього дешевого газу - і водень з грізного зброї перетворюється в безпечний газ. У результаті вже в 1979 році компанія BMW випустила перший автомобіль, цілком успішно їздівший на водні, при цьому не вибухає і випускали з вихлопної труби водяний пар. В епоху посилює боротьбу зі шкідливими вихлопу машина була сприйнята як виклик консервативному автомобільного ринку. Слідом за BMW (дивись рис 1.2) в екологічну сторону потягнулися й інші виробники. До кінця століття кожна поважаюча себе автокомпанія мала в запасниках хоча б один концепт-кар, що працює на водневомупаливі.

Рисунок 1.1 - Mazda RX-8 HRE на водні

Рисунок 1.2 - BMW з водневим ДВЗ

Баварські автоінженери в рамках програми CleanEnergy ( «чиста енергія») пристосували під їзду на Н₂ кілька «сімок» і MINI Cooper. Обладнана 4-літровим двигуном воднева «сімка» розвиває потужність в 184 кінські сили і проходить на одній заправці (170 літтров рідкого водню «під зав'язку») 300 км. Mazda «підсадити» на водень свій знаменитий спорт-кар RX-8, це представлено на рис.1.1 . У такому екологічно чистому варіанті він називається Mazda RX-8 HRE (Hydrogen Rotary Engine). Всі ці машини можуть їздити і на водні, і на бензині.

Якщо BMW і Mazda поки чергують два види палива, деякі навчилися їх поєднувати. По дорогам США вже їздить безліч сідельних тягачів, в дизельних серцях яких палає солярій-воднева суміш. В результаті потужність двигуна разом із чистотою вихлопу ростуть, а витрата палива знижується на 10%. Обладнану системою HFI (Hydrogen Fuel Injection - водневий паливний впорскування) машину не треба навіть заправляти цим газом, досить залити в невеликий бачок кілька літрів води. Система сама проведе електроліз, збере водень і направить його в камеру згоряння. Ефект полягає в тому, що в суміші з воднем солярка згорає значно ефективніше.

Але більшість виробників пішли по шляху створення електромобілів на паливних елементах. Бо окрім «екологічності» у них є безліч інших переваг. Наприклад, набагато більш високий (до декількох разів) ККД двигуна або безшумність.

На початку 1970-х років в Австрії К.Кордеш створив перший експериментальний водневий електромобіль з воднем-кисневим лужним паливним елементом (ТЕ) потужністю 6 кВт. Основним завданням робіт у цьому напрямку у наступні роки стало створення ефективної та дешевої рухової установки на основі водню-повітряного паливного елементу.

А більше за всіх новим паливом зацікавилися японці. І це зрозуміло. Ця країна, практично позбавлена хоч яких-небудь природних запасів нафти та газу, що володіє необмеженими обсягами сировини для водню (у вигляді океанської води) і воістину завидною сообразительность населення. А тому тут водневі аналоги є практично у будь-якого виду техніки - від працює на паливних елементах локомотива до людиноподібного робота SpeecysFC. До того ж японці щосили ведуть розробки паливних елементів для ноутбуків і мобільних телефонів. Компанія NEC ще в 2001 році створила перший робочий прототип мобільного паливного елемента PEFC. «Батарейка» видає «на-гора» в 10 разів більше енергії, ніж стандартний літієво-іонний акумулятор. Щоправда, вона заряджається метанолом: у спеціальній камері під дією каталізаторів і температури (85 градусів за Цельсієм) з нього витягується водень, який і «допускається» до енерговиробляючої мембрані. Така система роботи пов'язана з тим, що зберігати водень не так-то просто.

Поки людина не навчився отримувати дешевий водень безпосередньо, без використання електрики, до цього газу можна ставитись лише як до акумулятора енергії - такий собі скарбничку мегаджоулей. Адже всього двадцять грам водню здатні зробити стільки ж роботи, скільки повністю заряджений автомобільний акумулятор.

1.2 Зберігання водню

Зараз водневе паливо зберігає трьома способами: у стислому вигляді, в зрідженому і в металлогідридах. Найпростіше, звичайно, - закачати водень в бак потужним компресором. У баках той же Mazda водневе паливо міститься під тиском 350 атмосфер. Але цей спосіб, будучи найдешевшим, і найбільш небезпечного. При такому високому тиску будь-яка слабінка в системі загрожує протікання газу. А де протікання, там пожежа, а то й вибух.

Більш надійний і практичний спосіб - тримати водень у рідкому вигляді. Але для цього його треба охолодити до -253 градусів Цельсія [2]. У BMW паливо зберігається саме в такому вигляді: тому майже половину паливної системи займає найпотужніша теплоізоляція. І все одно, варто залишити машину на стоянці, скажімо, на тиждень, і вона зустріне повернувся господаря з порожніми баками. Ніяка ізоляція не може повністю захистити систему від нагрівання. В результаті водень починає випаровуватися, тиск у баці зростає, і газ просто стравлювати в атмосферу через запобіжний клапан. По технічним умовам повна заправка випаровується всього за три дні.

Найперспективніший спосіб - зберігання в металлогідридних композиціях. Водень, виявляється, дуже добре розчиняється металами, як вода вбирається губкою. Причому він поглинається у величезних обсягах, які значно перевершують обсяги «губки». Такі «насититися» воднем метали називаються металлогідридамі. При охолодженні вони вбирають водень, при нагріванні - активно його віддають. У минулому році фахівці з американської Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії створили матеріал на основі боран аміаку, здатний вбирати і віддавати вже при 80 градусах водень зі швидкістю, що в сто разів перевищує ті, що були доступні раніше. А Танер Іілдірім з американського Національного інституту стандартів і технологій разом з Салиму Сайракі з турецького університету Білкента розробили матеріал, здатний вбирати газоподібний водень в кількості до 9 000 літрів на 10-кілограмовий елемент! Це особливий кристалічний нанокомплекс, що складається з мікроскопічних, інкрустованих зовні титаном, вуглецевих нанотрубок, кожна з яких у 5 000 разів тонше людського волосся. Виготовити такий вуглецевої-титановий «накопичувач» людина вже може, але він занадто дорого. Поки що. Однак зауважимо, що й персональний комп'ютер ще зовсім не так давно коштував, як хороший автомобіль.

1.3 Способи видобутку водню

Здавалося б, людство вже готове перестрибнути в водневу епоху. Нове паливо влаштовує і вчених, і екологів, і підприємців, і політиків, і простих людей. І перейти на нього заважає лише одна проблема. Поки що зовсім не зрозуміло, де цей водень брати.

Отримання водню електролізом - малоперспектівно. Адже для того, щоб розкласти воду на складові, потрібно електрику, а його виробляють ... правильно, спалюючи в основному ту ж нафту. Запаси природного газу, з якого можна виділяти водень температурним розкладання, теж не нескінченні.

Екологи пропонують для виробництва водню використовувати тільки чисту енергію вітру і сонця, однак всі ці прожекти не надто реалістичні. Англійські фахівці вважали, що для того, щоб перевести весь автотранспорт острова на такий «чистий» Н₂, треба буде забудувати кількома рядами вітряків всю берегову смугу країни. З сонячною енергією теж не зовсім виходить фотоелемент дуже дорогі, а при їх виробництві шкідливих відходів виходить настільки, що ж найкраще нафту палити [3]. Строго кажучи, найпопулярніші зараз напівпровідникові сонячні батареї дороги перш за все тому, що для виплавки, очистки та обробки кремнію, з якого їх роблять, потрібно більше енергії, ніж вони здатні виробити протягом усього свого терміну служби. Залишається «мирний атом», але для того, щоб зробити з води необхідне англійською автоаматорам кількість водню, на острові потрібно побудувати більше 100 нових АЕС - не саме привабливе рішення, якщо оцінити розмір необхідних інвестицій і проблему з утилізацією або захороненням відходів.

Вчені і винахідники намагаються обійти проблему, виводячи спеціальні породи бактерій, що виробляють водень, і покриваючи даху гаражів особливими сонячними елементами, в яких вода розкладається на водень і кисень без проміжної електричної стадії. Хіміки з британського Університету Лідс пропонують навіть отримувати водень з соняшникової олії. Але очевидно, що все це - лише тимчасові рішення.

1.4 Теорія Ларіна

Ще в 70-х роках минулого століття відомий геолог Володимир Ларін розробив теорію, підтриманих багатьма вченими і ніким поки не спростувати, яка стверджує, що водню у нас найбільше. Не просто більше, його у нас - цілий океан, до якого треба тільки дістатися. І зробити це не так складно. Досить пробурили кілька п'яти – шости кілометрових свердловин в потрібних місцях. За розробку цієї концепції Ларін отримав докторський ступінь.

Суть теорії полягає в тому, що ядро нашої планети складається не з заліза, як вважалося раніше, а з металогідридов. З гранично насичених воднем магнію та кремнію і вже тільки потім - з заліза. Власне, ніяких доказів того, що ядро Землі залізне, немає. Вчені ще на початку минулого століття з'ясували, що воно складається з якогось щільного металу, і вважали, що цим металом є залізо. Зате доказів металлогідрідной теорії - маса. Вулкани та земні розломи викидають в атмосферу водень саме так, як вимагає металогідридная. На основі своєї теорії Ларін правильно передбачив появу в базальтових породах самородної металів. Нею легко пояснюються загадкові скачки щільності земної мантії на глибинах до 400, 670 і 1 050 км.

Але найголовніше в цій теорії ось що. На суші є кілька точно встановлених місць, в яких земна кора має товщину всього 5-10 км (звичайно ж - 100-150). Це так звані області ріфтогенеза. З теорії Ларіна, пробурили в цих місцях кілька свердловин, можна дістатися до металогідридного шару. І тоді, закачівая в одну з свердловин воду, з інших можна буде одержувати чистий водень в практично необмежених кількостях. Причому потрібний газ буде не тільки віддаватися металогідридамі, але й виходити завдяки з'єднанню лужноземельних магнію з водою. Розрахунки, зроблені вченими Сибірського відділення АН СРСР у 1989 році, показали, що у разі правильності металогідридной теорії ділянка в 20 км² дасть за рік водню стільки, що ним можна буде замінити 400 млн. тонн нафти. А це, між іншим, більше, ніж зараз добуває вся Росія.

У тому ж 1989 році в Геологічному інституті відбулася нарада під патронатом Академії наук, де заслухали доповідь Ларіна і постановили: «Рекомендувати надглибоке буріння (до 10-12 км) в області сучасного ріфтогенеза. Запропонувати як об'єкт Тункінскую западини, де буріння може мати виключно велике значення для енергетики та екології, так як дозволить оцінити і перевірити науково обґрунтовану можливість виявлення принципово нового і екологічно чистого енергоресурсу, здатного скласти конкуренцію традиційним енергетичним джерелам. Тункінская западина - місце неподалік від Байкалу, де товщина земної кори становить всього 4-5 км. На Землі подібних місць небагато. Окрім цієї западини підходять для буріння зони є в Ісландії, Ізраїлі (на заздрість арабським нефтешейхам), на заході Канади і в США, в штаті Невада.

1.5 Теплотехнічні характеристики водню

При виконанні науково дослідних і досвідно-конструкторських розробок у галузі водневої енергетики необхідно володіти даними, які дають уяву про теплотехнічні властивості водню.

У цьому розділі наведені дані, які свідчать про рівень енергії зв’язку водню з різноманітними елементами теплоти випаровування, конверсії та згорання водню, а також інформацію щодо його тепло утворюючих характеристик.

Таблиця 1.1 - Теплотехнічні властивості водню.

Показники	Значення показника
Енергія зв’язку електрона з ядром, еВ	13,595
Енергія зв’язку протона з нейтроном у дейтерії, МеВ	2,23
Енергія дисоціації водню у розчині: гомолітичне розщеплення на атоми, кДж/кмоль кДж/кг гетеролітичне розщеплення на іони, кДж/кмоль кДж/кг	435,0 215,8 155,0 76,9
Теплота утворення водню з атомів ∆Н298,16, кДж/кмоль кДж/кг	-432329 -214481
Теплота випаровування при ∆Нвип, кДж/кмоль кДж/кг При Т=20 К, Р=0,1 МПа, кДж/кмоль кДж/кг	917,0 455,0 947,4 470,0
Теплота переходу орт оводню у параводень при 20.4 К, кДж/кмоль кДж/кг	1417,68 703,32

Продовження таб.1.1

Показники	Значення показника
Теплота згорання, кДж/кг вища Qв нижча Qн	135377 114484
Теплопродуктивність водневоповітряної суміші, стехіометричного складу (α=1), кДж/кг вища Нв нижча Нн	3924 3318

Температурна залежність теплоти випаровування нормального водню може бути описана рівнянням :

∆Н_вип=456,3-0,56(Т-16,6)², (1.1)

Це рівняння придатне для використання в інтервалі температур 14…24 К. Теплоту випаровування орто- і пара складу в області температур нижче нормальної точки кипіння можна розрахувати згідно з рівнянням.

∆Н_вип = ∆Н_вип(n∙Н₂)+1,4+2,9Х², (1.2)

де ∆Н_вип –теплота випаровування, кДж/кг;

Х- молярна частка ортомодіфікації.

При розрахунках процесів горіння водню в розробці заходів, які забезпечують пожежо – та вибухобезпечність його використання, необхідно оперувати даними про концентраційні межі розповсюдження полум’я, під якими розуміють граничні концентрації пального в суміші, коли можливе розповсюдження полум’я [4]. Їх визначено фізико – хімічними властивостями горючої суміші, наявністю хімічно активних або інертних домішок. Вони залежать від температури, тиску, теплоємності компонентів і геометричних характеристик реакційного простору.

Розрізняють верхню та нижню концентраційні межі розповсюдження полум’я. Верхня межа відповідає суміші з максимальною концентрацією пального, а нижня – з мінімальною.

Таблиця 1.2 - Середня теплоємність газоподібного водню C_pm при тиску Р=0,1МПа і різних температурах.

Т,К	Cpm		Т,К	Cpm
	кДж/(кг∙К)	кДж/(м^3∙К)		кДж/(кг∙К)	кДж/(м^3∙К)
273	14,195	1,277	1873	15,294	1,375
373	14,354	1,291	1973	15,383	1,383
473	14,421	1,297	2073	15,472	1,392
573	14,446	1,299	2173	15,561	1,399
673	14,477	1,302	2273	15,648	1,408
773	14,508	1,305	2373	15,736	1,414
873	14,541	1,308	2473	15,819	1,423
973	14,587	1,312	2573	15,902	1,430
1073	14,641	1,317	2673	15,983	1,437
1173	14,706	1,322	2773	16,064	1,445
1273	14,776	1,329	2873	16,141	1,453
1373	14,850	1,336	2973	16,215	1,460
1473	14,934	1,343	3073	16,312	1,468
1573	15,023	1,351	3173	16,383	1,474
1673	15,113	1,359	3273	16,454	1,481
1773	15,202	1,367

Таблиця. 1.3 - Повна теплоємність Н_п молекулярного водню при різних температурах.

Т,К	Нп		Т,К	Нп
	кДж/кмоль	кДж/кг		кДж/кмоль	кДж/кг
300	196	97	3200	96399	47818
400	3104	1540	3300	100162	49685
500	6029	2991	3400
600	8956	4442	3500
700	11899	5902	3600	111577	55347
800	14854	7368	3700	115422	57255
900	17829	8844	3800	119286	59171
1000	20834	10335	3900	123169	61098
1100	23876	11844	4000	127072	63033
1200	26957	13372	4100	130992	64978
1300	30079	14921	4200	134931	66932

Перерахунок концентрації пального в суміші (С_н, С_в, % ) на коефіцієнт надлишку окиснювача (α) та зворотну процедуру здійснюють згідно з рівняннями (3.3)

α=[(100/С)-1]/L_м С=100/(1+ α L_м), (1.3)

де С – концентрація пального в суміші, %

L_м – мольний стереометричний коефіцієнт (один моль окиснювача на один моль пального).

Концентраційні межі розповсюдження полум’я у багато компетентних горючих сумішах залежать від концентрації складових і їх розраховують за допомогою формули

С_н=100/,(1.4)

де, С_н - сумарна концентрація пального в багато компонентній горючій суміші на нижній концентраційній межі, %

С і С_н - концентрація і-го компонента суміші на нижній межі,%

Таблиця 1.4 - Характеристики горіння водню

Показники	Значення показника
Стехіометричний коефіцієнт на 1кг Н2: масовий (Lо): кг повітря кг кисню об’ємний (Lо): кг повітря кг кисню	34,25 4,0 2,38 0,50
Вміст водню у воднево – повітряній суміші стереометричного складу Сстех, %	29,53
Паропродуктивність воднево – повітряній суміші стереометричного складу Тжак, К	2235
Температура полум’я суміші (293К, 0,1 МПа),К суміш водню з повітрям (31,6% Н2); суміш водню з киснем (73,0% Н2);	2040 2525
Самозаймання воднево – повітряної суміші при Тсв, К	783
Концентрація межі розповсюдження полум’я сумішей водень – окиснювач, α% воднево – повітряна суміш: нижня, Сн(αн) верхня, Св(αу) воднево – киснева суміш: нижня, Сн(αн)	4,0 75,0 3,50

Продовження таб.1.4

Показники	Значення показника
верхня, Св(αу)	94,0
Мінімальний тиск, при якому можливе розповсюдження полум’я, Рмін, Па: у воднево – повітряній суміші у воднево – кисневій суміші	29,53 1500 150
Швидкість детонаційного розповсюдження полум’я Vд (290К, 0,1МПа), м/с: у повітрі у кисні	2055 2819
Концентраційні межі детонаційного горіння суміші водень – окиснювач (293К, 0,1МПа), %: для воднево – повітряній суміші: нижня Сн верхня Св для воднево – кисневої суміші: нижня, Сн	18,3 74,0 15,5
Швидкість зниження рівня рідини в ємності (293К, 0,1МПа), см/хв: від випаровування без горіння при горінні	2,5-5,0 3,0-6,6
Швидкість зниження рівня рідини в ємності (293К, 0,1МПа), см/хв: від випаровування без горіння при горінні	2,5-5,0 3,0-6,6

Таблиця 1.5 - Концентраційні межі розповсюдження полум’я в сумішах протію й дейтерію з повітрям і киснем при Т=293 К і Р=0,1 МПа[12]

Cуміш	Н2, % (об.)		D2, % (об.)
	Сн αн)	Св(αв)	Сн	Св
Н2+повітря	EMBED Equation.2 4.2	75,0 (0,14)
Н2+О2	EMBED Equation.2 4.5	EMBED Equation.2 95.0	EMBED Equation.2	EMBED Equation.2

Таблиця 1.6 - Нижня концентрація межа розповсюдження полум’я С_н у сумішах Н₂+СН₄+повітря та Н₂+Не+повітря при Т 293 К і Р= 0,1 Мпа

Складові,% (об)		Сн, %(об)	Умови проведення експерту
Н2	СН4
	0	4,1	Труба: l=183, F=30,48 см^2; поширення полум’я вверх
90	10	4,1
75	25	4,1
50	50	4,6
25	75	4,7
0	100	5,6
100	0	4,1	Труба: l=183, F=30,48 см^2; запалення з відкритого кінця; поширення полум’я вверх
75	25	4,7
50	50	6,1
25	75	8,2
10	90	10,8
0	100	12,5

Продовження табл.1.6

Складові,% (об)		Сн, %(об)	Умови проведення експерту
Н2	СН4
100	0	0	Труба: l=25, d=4 см^2; поширення полум’я вниз
63,9	36,1	11,9
41,5	58,5	13,2
18,4	81,6	14,7
0	100	15,9
Н2	Не
100	0	4,2	Труба: l=183, d=5,08 см^2; нижній кінець труби відкритий; розповсюдження полум’я вверх
58,1	41,9	7,1
27,9	72,1	16,6
19,3	80,7	24,9
10,7	89,3	51,3
8,7	91,3	69,8