Меню Закрыть

Сгорание водорода: Горение водорода

Содержание

Горение водорода

   Протон — протонная цепочка представлена на рис. 14. Под каждой стрелкой приведено либо время t протекания данной реакции в условиях Солнца, либо период полураспада T1/2 ядра. Расчет проведен с использованием формул (8) — (13) для случая равенства общих масс водорода и гелия, вступающих во взаимодействие, средней плотности вещества ρ = 150 г/см3 и температуры
T =1.5 ·107 K. Для каждой реакции приведено энерговыделение (энергия реакции Q).
    Первая реакция в цепочке — взаимодействие двух ядер водорода с образованием дейтрона, позитрона и нейтрино. Эта реакция происходит в результате слабого взаимодействия и является определяющей в скорости всей pp-цепочки (t = 5.8 ·109 лет). На втором этапе в результате взаимодействия образовавшегося дейтрона с водородом происходит образование изотопа 3He с испусканием -кванта. Далее может реализоваться одна из двух возможностей. С вероятностью 69% происходит реакция:

3He + 3He → 4He + 2p

(14)

и с вероятностью 31% — реакция с участием дозвездного 4He

3He + 4He → 7Be + γ .

(15)

    Образовавшееся ядро 7Be в 99.7% случаев вступает в реакцию с электроном (ppII — цепочка) и в 0.3% случаев — с протоном (ppIII — цепочка). Существенным является наличие в ppIII — цепочке реакции:

8B → 8Be* + e+ + e ,

(16)

дающей поток высокоэнергичных нейтрино, доступный для регистрации. Полная энергия (суммарная энергия реакции Q), выделяющаяся в результате синтеза изотопа 4He из 4 протонов, составляет 24.7 МэВ — для цепочек ppI, ppIII и 25.7 МэВ для цепочки ppII. Образующиеся при синтезе позитроны аннигилируют, увеличивая энерговыделение для всех цепочек до 26.7 МэВ.


Рис. 14. Протон — протонная цепочка.

Для оценки величины энергии, выделяющейся в pp-цепочке, необходимо уметь оценить скорости протекания различных ядерных реакций. Сечение реакции ij для частиц i, j, вступающих во взаимодействие, можно записать в виде:

ij(Sij/E)exp[(-EG/E)1/2].

(17)

В табл. 8 приведены значения коэффициента Sij при E = 0 для некоторых реакций pp — цикла и неопределенности оценок величин соответствующих коэффициентов.

Таблица 8

Значение величин коэффициента S

ij в реакциях pp-цикла

Реакция

Sij

Значения Sij, МэВ·мб

S/S, %

p + p → d + e+ + ν

S11

3.82 ·10-25

3

3

He + 3He → 4He + 2p

S33

5.0

10

3He + 4He → 7Be + γ

S34

0.52 ·10-3

8

7Be + p → 8B + γ

S17

0.29 ·10-4

10

    Значения Sij и их неопределенности, приведенные в таблице, позволяют получить представление о сложности расчетов ядерных реакций в звездах и точности, достигнутой на сегодняшний день.
    Водородный цикл может начинаться также с реакции:

p + p + e → d + νe  (Q = 1.44 МэВ).

(18)

    Однако при плотностях, характерных для звезд массы Солнца и T ~ 107 K, она происходит в 400 раз реже реакции

p + p → d + e+ + νe.

(19)

    В звездах с массой большей, чем у Солнца, pp — цепочка не является главным источником энергии.
    Вещество звезд второго поколения наряду с водородом и гелием содержит более тяжелые элементы, образующиеся в реакциях горения водорода и гелия, и, в частности, азот, углерод, кислород, неон и другие. Эти элементы играют роль катализаторов в реакциях горения водорода.
    Когда температура в центре звезды приближается к 20 млнK, в звездах начинается цепочка ядерных реакций, в ходе которых ядра углерода испытывают ряд последовательных превращений, а из водорода образуется гелий. Эта цепочка реакций называется CNO — циклом.

Горение водорода

Горение водорода


Рис. 1. Зависимость от температуры логарифма скорости V выделения энергии в водородном (pp) и углеродном (CNO) циклах

   Бете и Вайцзеккер показали, что возможны две различные последовательности реакций преобразования 4-х ядер водорода в ядро 4He, которые могут обеспечить достаточное выделение энергии для поддержания светимости звезды:
    — протон — протонная цепочка (pp — цепочка), в которой водород превращается непосредственно в гелий;
    — углеродно — азотно — кислородный цикл (CNO — цикл), в котором в качестве катализатора участвуют ядра C, N и O.

    Какая из этих двух реакций играет более существенную роль, зависит от температуры звезды (рис. 1).
    В звездах, имеющих массу, сравнимую с массой Солнца, и меньше, доминирует протон — протонная цепочка. В более массивных звездах, имеющих более высокую температуру, основным источником энергии является CNO — цикл. При этом, естественно, необходимо, чтобы в составе звездного вещества присутствовали ядра C, N и O. По современным представлениям температура внутренних слоев Солнца составляет 1.5·107 K и доминирующую роль в выделении энергии играет протон — протонная цепочка.

    Протон — протонная цепочка представлена на рис. 2. Под каждой стрелкой приведено либо время t протекания данной реакции в условиях Солнца, либо период полураспада T1/2 ядра. Расчет проведен с использованием формул (8) — (13) для случая равенства общих масс водорода и гелия, вступающих во взаимодействие, средней плотности вещества ρ = 150 г/см

3 и температуры
T = 1.5 ·107 K. Для каждой реакции приведено энерговыделение (энергия реакции Q).
    Первая реакция в цепочке — взаимодействие двух ядер водорода с образованием дейтрона, позитрона и нейтрино. Эта реакция происходит в результате слабого взаимодействия и является определяющей в скорости всей pp-цепочки (t = 5.8·109 лет). На втором этапе в результате взаимодействия образовавшегося дейтрона с водородом происходит образование изотопа 3He с испусканием γ-кванта. Далее может реализоваться одна из двух возможностей. С вероятностью 69% происходит реакция:

3He + 3He → 4He + 2p

и с вероятностью 31% — реакция с участием дозвездного 4He

3He +

4He → 7Be + γ.

    Образовавшееся ядро 7Be в 99.7% случаев вступает в реакцию с электроном (ppII — цепочка) и в 0.3% случаев — с протоном (ppIII — цепочка). Существенным является наличие в ppIII — цепочке реакции:

8B → 8Be* + e+ + ν,

дающей поток высокоэнергичных нейтрино. Так называемые борные нейтрино, образующиеся в этой реакции были доступный для регистрации хлор-аргонным методом, который использовал Р. Дэвис, впервые измеривший потоки солнечных нейтрино. Полная энергия (суммарная энергия реакции Q), выделяющаяся в результате синтеза изотопа 4He из 4 протонов, составляет 24.7 МэВ — для цепочек ppI, ppIII и 25.7 МэВ для цепочки ppII. Образующиеся при синтезе позитроны аннигилируют, увеличивая энерговыделение для всех цепочек до 26.7 МэВ.


Рис. 2. Протон — протонная цепочка.

CNO — цикл. Особенность CNO-цикла состоит в том, что он, начинаясь с ядра углерода, сводится к последовательному добавлению 4 — х протонов с образованием в конце CNO — цикла ядра 4He. Последовательность реакций, первоначально предложенная Бете и Вайцзеккером, имеет вид

    Основное время эволюции звезды связано с горением водорода. При плотностях, характерных для звездных недр, горение водорода происходит при температуре
(1-3)·107 K. При этих температурах требуется 106 — 1010 лет для того, чтобы значительная часть водорода в центре звезды переработалась в гелий.


Водородное топливо — Что такое Водородное топливо?

Lh3 является самым экологически чистым видом моторного топлива, поэтому его перспективы очевидны

Водородное топливо

В Австралии на бурых углях в штате Виктория отрабатывается технология технология газификации угля с последующим выделением водорода, вернее удаления серы, ртути и двуокиси углерода (СО2).

В Норвегии — Nel Hydrogen отрабатывает технологию использования ВИЭ для высокотемпературного электролиза для разделения воды на водород и кислород, который будет выбрасываться в атмосферу.

Kawasaki Heavy Industries разрабатывает морской танкер — водородовоз для транспортировки жидкого водорода ( LH

2).

Водород

Водород (H) является самым распространенным элементом на Земле, но в обычных условиях он не встречается ни в виде водорода H, ни в виде газообразного водорода (H2). 

Благодаря своим характеристикам он легко вступает в реакцию с другими органическими соединениями с образованием, например, воды (H2O). 

Во время этой реакции образования воды из водорода и воздуха выделяется энергия, которую можно использовать в качестве электричества. 

Чтобы сделать эту реакцию полезной для промышленного производства электроэнергии, необходимо произвести водород, например из воды путем разделения атомов на кислород и водород посредством электролиза. 

Есть другие технологии:

  • использование газов, оставшихся от химических процессов, например метана, угля, нефти и биомассы. 
Для производства водорода существуют разные способы, которые сильно различаются как с точки зрения экологичности, так и с точки зрения стоимости.
Экологичность — важный критерий производства водорода.
Чем больше оксидов углерода выделяется при производстве водорода, тем менее экологичным он будет считаться.
Для простоты каждый «сорт» произведенного по разным технологиям принято обозначать цветом, хотя правильнее — по углеродному следу.

Реакция взаимодействия водорода с кислородом происходит с выделением тепла. 

Если взять 1 моль H2 (2 г) и 0,5 моль O2 (16 г) при стандартных условиях и возбудить реакцию, то согласно уравнению

Н2 + 0,5 О2= Н2О

после завершения реакции образуется 1 моль H2O (18 г) с выделением энергии 285,8 кДж/моль.

Для сравнения: теплота сгорания ацетилена — 1300 кДж/моль, пропана — 2200 кДж/моль.

1 м³ водорода весит 89,8 г (44,9 моль), поэтому для получения 1 м³ водорода будет затрачено 12832,4 кДж энергии.

1 кВт*ч = 3600 кДж, поэтому получим 3,56 кВт*ч электроэнергии. 

Целесообразность перехода на водородное топливо можно оценить, сравнив имеющийся тариф на 1 кВт*ч электричества и, к примеру, стоимость 1 м³ газа или стоимость другого энергоносителя.

При сжигании водорода получается чистая вода. 
То есть водородное топливо производится без вреда для окружающей среды, в отличие от газа или бензина.

Получение водорода

Для получения водорода используют химические методы, в тч реакции разложения воды электрическим током.
Основной промышленный способ получения водорода — реакция с водой метана, который входит в состав природного газа.
Она проводится при высокой температуре:

СН4 + 2Н20 = CO2 + 4Н2 — 165 кДж

  • 1.Электролиз водных растворов солей:
2NaCl + 2H2O → h3↑ + 2NaOH + Cl2
  • 2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:
h3O + C ⇄ h3 + CO
  • 3.Из природного газа.
Конверсия с водяным паром: CH4 + H2O ⇄ CO + 3H2 (1000 °C) Каталитическое окисление кислородом: 2CH4 + O2 ⇄ 2CO + 4H2
  • 4. Крекинг и реформинг углеводородов в процессе переработки нефти.
  • 5. Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и соляную кислоту:
Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2
  • 6.Взаимодействие кальция с водой:
Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2
  • 7.Гидролиз гидридов:
NaH + H2O → NaOH + H2
  • 8.Действие щелочей на цинк или алюминий:
2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑ Zn + 2KOH + 2H2O → K2[Zn(OH)4] + h3↑
  • 9 .С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:
2H3O+ + 2e → H2↑ + 2H2O
  • Биореактор для производства водорода

Физические свойства Газообразный водород может существовать в 2х формах (модификациях) — в виде орто — и пара-водорода.
В молекуле ортоводорода (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны).
Разделить аллотропные формы водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота.
При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону параводорода.
При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25).
Без катализатора превращение происходит медленно, что дает возможность изучить свойства отдельных аллотропных форм.
Молекула водорода двухатомна — Н. При обычных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса.
Водород — самый легкий газ, его плотность во много раз меньше плотности воздуха. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре.
Как самые легкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому.
Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в 7 раз выше теплопроводности воздуха.

Химические свойства

Молекулы водорода Н довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:

Н2=2Н — 432 кДж

Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:

Ca + Н2 = СаН2 и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:

F2+H2=2HF

С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении.

Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:

CuO + Н2 = Cu + Н20

Записанное уравнение отражает реакцию восстановления — процесс, в результате которого от соединения отнимается кислород; вещества, отнимающие кислород, называются восстановителями (при этом они сами окисляются).

Реакция восстановления противоположна реакции окисления.

Обе эти реакции всегда протекают одновременно как 1 процесс: при окислении (восстановлении) одного вещества обязательно одновременно происходит восстановление (окисление) другого.

N2 + 3H2 → 2 NH3

С галогенами образует галогеноводороды:

F2 + H2 → 2 HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре, Cl2 + H2 → 2 HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

C + 2H2 → CH4

Оксиды восстанавливаются до металлов:

CuO + H2 → Cu + H2O Fe2O3 + 3H2 → 2 Fe + 3H2O WO3 + 3H2 → W + 3H2O

Геохимия водорода

Водород — самый распространенный элемент, и все элементы образуются из него в результате термоядерных и ядерных реакций.
На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем.
Свободный водород H2 относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.
В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.
В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением.
Он мигрирует в верхние слои атмосферы и улетучивается в космос.

Применение кроме энергетики:
  •  для атомно-водородной сварки,
  •  в пищевой промышленности, как пищевая добавка E949- упаковочный газ, для производства маргарина из жидких растительных масел,
  •  химической промышленности — при производстве аммиака, мыла и пластмасс,
  •  в качестве ракетного топлива,

Энергетика

Водороду уделяется такое пристальное внимание не зря.
Подобно батареям, водород в основном используется как форма хранения энергии.
Они оба зависят от первичной энергии, такой как солнечная и ветровая, для зарядки или генерации, и при необходимости могут быть преобразованы в электричество.
Тем не менее, водород превосходит батареи по многим параметрам:
  • более чистый производственный процесс, 
  • нулевое загрязнение после утилизации; более высокая плотность энергии. 
Водород можно производить с помощью воды и электричества, а батареи часто зависят от токсичных материалов, таких как цинк, никель и марганец, которые оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду при их добыче в открытых карьерах или на морском дне и после их утилизации.
При преобразовании водорода в электричество производится только вода и тепло.
Водород также имеет гораздо более высокую плотность энергии (33 кВт*ч / кг), чем батареи (около 1 кВт*ч / кг), и чем бензин и дизельное топливо (около 12 кВт*ч / кг), что делает его особенно выгодным для транспорта и в качестве мобильного энергоносителя

Пожароопасность и взрывоопасность

Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь — гремучий газ. 
Наибольшую взрывоопасность — при объемном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближенно 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21%.
Водород пожароопасен.

К вопросу применения водорода на двигателях внутреннего сгорания

Энергоснабжение мира будет в ближайшие 30-50 лет базироваться в основном на органических топливах (углях, природном газе, нефти) за счет которых в настоящее время обеспечивается около 90% мирового потребления энергии. Оценка мировых запасов органических топлив весьма затруднена из-за недостаточной разведанности недр нашей планеты, а также несовершенствования методов бурения и изучение дна океана приведет к существенному изменению наших представлений о запасах энергетических ресурсов.

В таблице 1 представлены прогнозные и разведанные запасы ископаемых топлив по наиболее оптимистических и пессимистическим оценкам. Количество разведенных ресурсов отражает современные технические возможности и безусловно будет изменяться с развитием науки и техники. Если исходить из оптимистических прогнозов ресурсов в размере 13550 млрд.т.у.т., то как видно из таблицы 1, на долю угля приходится 88,5, нефти и природного газа 6,0, нефтеносных песков и сланцев 5,5. Их этого количества разведанные запасы составляют 1200 млрд.т.у.т., из которых на долю угля приходится 69, нефти и природного газа 22, нефтяных песков и сланцев 9.0% [5].

Таблица 1

Потенциальные запасы ископаемых минеральных топлив в мире, млрд. т.у.т. [5].

Вид топлива

Разведанные запасы

Прогнозные запасы

минималь

ные

максималь

ные

минималь

ные

максималь

ные

Твердые

450

830

5000

12000

Нефть и газовый конденсат

95

150

220

450

Углеводороды и битуминозных песка и сланца

90

120

370

730

Природный газ

65

100

240

370

Итого:

700

1200

5830

13550

Примечания: Запасы ядерного топлива соответствует запасам угля.

Водород (Н2) является одним из наиболее перспективных видов топлив как для использования в современных типах ДВС (при некоторых их модификаций), так и для энергетики будущего. Это топливо эффективно удовлетворяет комплексу требований по энергетическим показателям двигателя и экономическим требованиям обеспечения безотходной технологии.

Первое практическое использование водорода в качестве добавки к топливу для авиационных ДВС относится к 1927г. В Советском Союзе работы по применению Н2 в качестве топлива для ДВС проводятся в секторе неоднородных средств АН СССР под руководством академика В.В. Струминского, в институте проблем машиноведения АН УССР и ряде других организаций. Наиболее распространенный современный промышленный способ получения Н2 основан на частичном окислении метана и его конверсии с водяным паром [7].

2СН4 + О2 → 2СО + 4Н2;

СО + Н2О → Н2 + СО2;

СН4 + Н2О → СО + 3Н2

Метан является ценным химическим сырьем, поэтому рассматриваются перспективные способы получения Н2 из воды. К таким способам относятся термодиссоциация воды, протекающая при температурах 4000-5000К, и разработанный и Институте атомной энергии им. И.В.Курчатова двухступенчатый цикл с использованием теплоты атомного реактора [1].

2Fе3O4 → 6FeO + O2;

3 FeO + Н2О → Fe3O4 + H2.

Подсчитано, что термоядерный реактор тепловой мощностью 10млн.кВт при работе по такому циклу позволит получить 1млн.т. Н2 в год.

Основные физические показатели Н2 приведены ниже.

Температура кипения, К

20,24

Температура застывания, К

13,8

Критическая температура, К

32,9

Критическое давление, МПа

1,27

Плотность при нормальных условиях, кг/м3

0,08987

Плотность при температуре кипения, кг/м3

0,07097 ∙ 103

Плотность при температуре застывания, кг/м3

0,0896 ∙ 103

Теплота плавления, кДж/моль

0,0965

Теплота испарения, кДж/моль

0,903

Концентрационный диапазон воспламеняемости с воздухом, % по объему

4 — 75

Жидкий водород (ЖН2) представляет собой бесцветную жидкость без запаха. Газообразный водород (ГН2) бесцветный газ без запаха. Твердый водород (ТН2) обладает кристаллической структурой. При охлаждении ЖН2 ниже температуры кипения в нем появляются конгломераты кристаллов ТН2, количество которых увеличивается до полного исчезновения ЖН2. Смесь ЖН2 и ТН2 называется шугообразным водородом (ШН2).

Высшая теплота сгорания Н2 равна 120МДж/kg, что превышает массовую теплоту сгорания всех топлив для ДВС. Однако вследствии малой плотности Н2 его объемные энергетические характеристики хуже, чем у нефтяных топлив. Объемная теплопроизводительность водородно-воздушной смеси меньше теплопроизводительности смесей на основе бензина (на 15%) и спирта (на 10%) [3].

Температура воспламенения водородно-воздушной смеси выше, чем смесей на базе углеводородных топлив, однако благодаря более низкой энергии активации Н2 для его воспламенения требуется меньше количество энергии.

Водородно-воздушные смеси сгорают со скорости превышающими скорости сгорания смесей на основе углеводородных топлив и в значительной степени зависящими от температуры [6]:

Температура, К

293

373

473

573

673

Скорость распространения пламени при 0,1МПа, м/с

2,50

4,00

6,00

9,00

12,00

В условиях камеры сгорания скорость распространения пламени значительно возрастает вследствие влияния турбулизации и повышенных давлений. Большие скорости сгорания обусловливают высокую жесткость процесса сгорания. Например, при α = 1 скорость нарастания давления в цилиндре примерно в три раза больше, чем при работе бензо-воздушных смесях. При увеличении α скорость нарастания давления уменьшается [5].

При анализе условий хранения ЖН2 большое значение имеет его коэффициент термического расширения δ, который изменяется по температуре следующим образом:

Температура, К

14

15

16

17

18

19

20

20,38

Коэффициент термического расширения, δ∙103

9,72

10,62

11,51

12,41

13,30

14,20

15,04

15,43

При диффузии водорода в углеродистую сталь происходит наводороживание металла (FeC + 2Н2 ⇆Fe + СН4), вследствие которого в массе металла появляются газовые пузыри и трещины. Диффузия водорода в металлы возрастает с повышением температуры. Например, при 1750К в одном объеме железа растворяется до двух объемов водорода. Диффузия водорода в металлы ухудшает их твердость, термическую стойкость, текучесть и ряд других свойств.

При нормальной и низких температурах водород химически малоактивен. Реакционная способность его значительно возрастает при нагреве, под действием электрического разряда и в присутствие катализаторов. Повышение активности водорода обусловлено образованием атомарного водорода, обладающего высокой реакционной способностью.

Высокая диффузионная способность ГН2 с одной стороны, обеспечивает хорошие условия смесеобразования в ДВС, а с другой стороны — снижает пожаро – и взрывоопасность водорода – воздушных смесей, случайно образовавшихся из-за утечек Н2 (благодаря быстрому его рассеиванию).

Устойчивое воспламенение Н2 можно обеспечить с помощью принудительного зажигания от электрической искры или дозы запального топлива, возможно также воспламенение с помощью катализатора Н2 может подаваться в цилиндр как вместе с воздухом, так и путем впрыска в камеру сгорания.

Благодаря широкому концентрационному диапазону воспламеняемости водорода – воздушных смесей открывается возможность качественного регулирования мощности ДВС, при этом индикаторный КПД двигателя возрастает.

Предел обеднения водородно-воздушной смеси определяется ухудшением динамики тепловыделения и как следствие этого неустойчивой работой двигателя. Вследствие высокой химической активности и больших скоростей сгорания смеси работа двигателя на составах смеси, достаточно близких к стехиометрическому, вызывает явления аналогичные детонации.

Использование Н2 по сравнению с бензином вызывает снижение мощности давления. Это объясняется уменьшением коэффициента наполнения из-за низкой плотности Н2 и вызываемого этим увеличением относительной доли объема цилиндра, занимаемой топливом. Например, при α = 1 ГН2 занимает почти 30% объема цилиндра (а пары нефтяного топлива только 2-4% объема).

Вследствие высоких скоростей и температур сгорания водорода – воздушных смесей в отработанных газах ДВС может содержаться значительное количества окислов азота NО. С обеднением смеси концентрации NО уменьшается. Для снижения количества NО в отработавших газах можно применять добавку воды к водородному топливу. Однако, что при работе на Н2 в отработавших газах не должно содержаться СО и СN, однако эксперименты обнаруживают их незначительное количество. Это объясняется выгоранием углеводородных смазочных материалов, попадающих в камеру сгорания.

Наиболее сложной задачей при использовании водорода и бензо-водородных смесей в качестве топлива для ДВС является хранение расходного запаса Н2 на борту автомобиля. Принципиально возможны три способа хранения Н2: в сжатом виде в баллонах высокого давления, в сжиженном виде и в химически связанном виде в составе соединений, легко разрушающихся с выделением Н2 (энергоносителей).

Получение, транспортировка и хранение жидкого водорода достаточно хорошо освоены в смежных областях техники в начале 50-х годов. Например, в США в 1960 году выпуск ЖН2 составлял 14т/сут. и увеличился к 1970 году до 160т/сут. Главной задачей при этом является обеспечение минимального испарения ЖН2,хранящегося в топливных баках. Современное (взаимственное из опыта ракетной техники) решение этой задачи заключается в использовании криогенных емкостей, имеющих двойные стенки, пространственно между которыми вакуумировано и заполнено чередующимися слоями экранирующих и изолирующих материалов – экрано-вакуумной изоляцией. Потери на испарение ЖН2 в стационарных резервуарах такого типа не превышает 10% в год, в расходных автомобильных баках 1% в сутки. Баки снабжают системой сброса избыточного давления испарившегося Н2 с дальнейшим дожиганием или адсорбцией его паров. Для снижения испаряемости и повышение плотности Н2 при хранении в перспективе возможно применение ШН2, содержащего 30-50% ТН2. Сжижение водорода требует значительных энергетических затрат (до 45%), что повышает стоимость топлива.

Перспективой системой хранения водорода при работе автомобиля на ДВС является использование энергоносителей на основе гидридов некоторых металлов (например, Li, K, Mg, Fe, Ti и пр.) [4]. При пропускании водорода через порошки этих металлов образуются их гидриды по типу Li + Н → LiН и выделяется теплота, которая должна быть отведена. При подогреве гидридного порошка (что может осуществляться на борту автомобиля, например, за счет теплоты отработавших газов или жидкости из системы охлаждения двигателя) Н2 выделяется из гидридов и направляется в систему топливоподачи двигателя. Такие циклы могут повторяться многократно. При прекращении теплоподвода (по команде или вследствие аварии) выделение Н2 прекращается. Эта особенность обеспечивает достаточно высокую пожара — взрывобезопасность эксплуатации автомобиля с гидридным аккумулятором Н2.

В таблице 2 приведены сравнительные данные по системам хранения топлива, обеспечивающим пробег автомобиля равный 418 км [4].

Необходимо отметить также способ получения Н2 непосредственно на транспортном средстве, который основан на способности ряда веществ (Аℓ, Li, Mgи др) восстанавливать, воду до водорода с образованием окислов соответствующих элементов. В дальнейшем окислы могут быть восстановлены в стационарных условиях. Испытание опытных реакторов такого типа дало хорошие результаты.

Таблица 2

Сравнительные данные по системам хранения топлива

Показатели

Бензин

Сжатый ГН2

ЖН2

Гидрат MgН2

Масса топлива, кг

53,5

13,4

13,4

13,4

Объем топлива, м3

0,07

1,0

0,19

Масса бака, кг

13,6

13,61

181

213,6

Полная масса топливной системы, кг

67

1374

195

227

Отметим возможность использования Н2 в электрохимических газовых аккумуляторах. В этих аккумуляторах Н2 реагирует с кислородом и происходит выделение электрической энергии. Газовые аккумуляторы рассматривают в качестве источников энергии для перспективных транспортных средств. С этой точки зрения накопление конструкторских и технологических решений в областях производства и транспортировки Н2 приобретает еще большое значение.

Литература:
  1. Аксенов А.Ф. Трение и изнашивание металлов в углеводородных жидкостях. – М.: Машиностроение. 1977г.

  2. Афрошмова В.Н., Поляцкий М.А. Экспериментальное исследование эффективности горения газового топлива. – ТрЦKTИ 1967 г. № 76 с.25-42.

  3. Варшавский И.Л. Малотоксичный автомобиль: Снижение токсичности отработавших газов двигателя применением добавок водорода. – В сб.: Защита воздушного бассейна от загрязнения токсичными выбросами транспортных средств. – АНУСС. ИПМаш АН УССР. 1977г.

  4. Иссерлин А.С., Певзнер М.И., Ежова Е.И. Горелочные устройства для сжигания газа в металлургии тяжелых цветных металлов. М.: ВНИИЭ газпром 1972г.с.,75

  5. Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива. Ленинград «Недра» Ленинградское отделение. 1987г. с.336.

  6. Обельницкий А.М. Расчет термохимических свойств двухкомпонентных топлив для поршневых двигателей внутреннего сгорания. – Межвузовский сборник научных трудов// Автомобиль и окружающая среда. 1976г.

  7. Обельницкий А.М. Топливо и смазочные материалы. М.: «Высшая школа» 1982г.

Водородные перспективы

 

Автор: Георгий Гавриленко, член научно – аналитической секции ОО «УкрЯО»

На использование водорода в Европе возлагают большие надежды, насколько они оправданы — вопрос открытый. В свое время в интервью директор института возобновляемой энергетики, член-корреспондент НАН Украины Степан Кудря на вопрос корреспондента, сколько сейчас стоят водородные и иные системы, ответил: «$3000 в комплексе. И таким образом мы решаем проблему энергетики и экологии на 100%». Так ли это? Все ли учтено?

Под проблемами энергетики в целом понимается обеспечение населения и промышленности теплом, электричеством при их должном качестве, бесперебойной поставке, минимальном влиянии на экологию и при разумных ценах. Насколько водородные технологии отвечают перечисленным требованиям и что требуется для их внедрения в нынешних условиях Украины и пойдет речь.

Основные физические свойства водорода, определяющие его производство и потребление:

  1. Теплотворная способность водорода — 120.9 МДж/кг (10840 КДж/м3), природного газа в среднем — 37300 КДж/м3.
  2. Плотность водорода 0.0897 кг/м3, природного газа в среднем — 0.765 кг/м3.
  3. Взрывоопасная концентрация водорода в смеси с воздухом сохраняется в интервале от 4% до 75%, природного газа — в среднем от 4.4% до 17%.
  4. Водород обладает повышенной текучестью.
  5. При горении водорода в кислороде образуется только водяной пар.
  6. При горении водорода в воздухе, кроме водяного пара, образуются оксиды азота NOX, которые относятся к парниковым газам и их выбросы лимитируются.
  7. Хранение водорода осуществляется в герметичных емкостях при избыточном давлении или в сосудах Дюара в жидком состоянии.

Способы получения водорода и затраты на его производство

Основными промышленными способами производства водорода являются конверсия кокса или метана и электролиз воды. Водород, получаемый при конверсии, имеет неудовлетворительное качество, поскольку содержит примеси углерода, серы и иных элементов, которые при сгорании приводят к образованию парниковых газов.

Кроме того, при использовании конверсионного водорода в топливных элементах примеси приводят к их деградации (отравлению). Для использования конверсионного водорода в топливных элементах требуется его дополнительная очистка.

При методе электролиза водород производят из дистиллированной воды в электролизерах. Электролизный водород после осушки отвечает требованиям для использования в топливных элементах. Качество электролизного водорода зависит от качества дистиллированной воды и используемых реагентов.

Теоретически для получения 1 м3 водорода посредством электролиза требуется 3.56 кВт-ч электроэнергии.

Согласно «Нормам технологического проектирования производства водорода методом электролиза воды» НТП 24-94, принятым у наших партнеров из Российской Федерации для получения 1 м3 водорода требуется 4.94-5.76 кВт-ч электроэнергии и 0.8 м3 дистиллированной воды.

При этом, чем больше мощность электролизера, тем больше потребность в электроэнергии. Это объясняется возрастанием потерь в связи с увеличением расходов на охлаждение, осушку и очистку.

Таким образом, для производства 1 м3 водорода используется 20 736 кДж электроэнергии, которые превращаются в 10 840 кДж химической энергии в виде теплотворности 1 м3 водорода.

Отсюда следует, что коэффициент полезного действия при производстве водорода электролизным способом составляет 52.3%.

Большую часть стоимости в производстве водорода электролизным способом составляют расходы электроэнергии, которые являются энергозатратной частью.

Согласно законопроекту Украины о «зеленом» тарифе (№36580), тариф на электроэнергию в Украине, выработанную на солнечных и ветровых электростанциях, до 31.12.24 г. не может быть дороже 9 евроцентов за 1 кВт-ч (2.97 грн), а с 1.01.25 г. не может быть дороже 8 евроцентов за один кВт-ч (2.64 грн). Эти цены согласно законопроекту будут действовать до 2030 г.

Если исходить из того, что для производства водорода будет использоваться электроэнергия возобновляемых источников, то энергозатратная часть стоимости водорода составит 15.2 грн/м3 (без НДС). Для сравнения, в настоящее время отпускная цена природного газа составляет около 7 грн/м3.

Это только энергозатратная часть стоимости водорода. Полная стоимость включает стоимость химобессоленной воды, амортизационные отчисления, транспортировку, эксплуатационные затраты (стоимость реагентов, зарплата, запасные части, ремонт, техническое обслуживание и пр.) и станет как минимум в два раза дороже, то есть может достигнуть 30 грн/м3.

Хранение и транспортировка водорода

Водород как энергоноситель, равно как и электрический ток, и природный газ, обладает общим недостатком — его производство и потребление должны быть сбалансированы. В электроэнергетике это требование обеспечивается регулированием энергосети, снижением или увеличением электрогенерации и наличием резерва, который вводится в работу по необходимости.

Что касается природного газа, то в состав ГТС входят подземные хранилища газа, которые играют роль компенсаторов. При снижении потребления, часть газа из газотранспортной системы может направляться в газохранилища, при возрастании потребления газ отбирается из газохранилищ.

В свою очередь, что касается водорода, то в связи с его повышенной текучестью, хранение в подземных газохранилищах проблематично. Аккумулирующим способом хранения водорода является хранение в сжиженном состоянии. Технология сжижения водорода аналогична технологии сжижения метана, который составляет основу природного газа. Практика сжижения природного газа показывает, что стоимость сжиженного газа в перерасчете на 1 м3 повышает его стоимость на 25%. Таким образом, энергозатратная часть стоимости водорода повышается с 15.2 грн/м3 до 19 грн/м3 (без учета НДС).

Транспортировка сжиженного водорода может осуществляться только специальным транспортом, оборудованным сосудами Дюара, но при этом потеря водорода в сутки составляет около 1% от его массы, что ведет к его удорожанию. Транспортировка сжиженного водорода по трубопроводам в связи с особенностями его физических свойств невозможна.

Согласно некоторым публикациям, предполагается использование действующей газотранспортной системы (ГТС) для транспортировки водорода посредством подмешивания его в природный газ. Предполагается, что оптимальное содержание водорода в такой смеси составит 20%.

Смешивание приведет к тому, что, во-первых, плотность смеси уменьшается до 0.63кг/м3, а во-вторых, теплотворность смеси снижается до 32 000 кДж/м3. За счет подмешивания более дорогого компонента стоимость 1 м3 газовой смеси возрастет по сравнению со стоимостью природного газа с 7 грн/м3 до 9.4 грн/м3.

Кроме того, снижение калорийности газовой смеси потребует увеличения ее расхода на 16%, что приведет к дополнительным расходам энергии на транспортировку и удорожанию.

Украинскому потребителю придется оплачивать каждый кубический метр смеси на 34% дороже по сравнению со стоимостью природного газа. Это добавка к стоимости только за счет энергозатратной части, а фактически стоимость смеси будет гораздо выше.

Что касается технической стороны транспортировки, то снижение плотности газовой смеси скажется на работе компрессорных установок ГТС. Допустимо ли снижение плотности — ответ за специалистами.

Самый сложный технический вопрос использования смеси — текучесть водорода. Дело даже не столь в герметичности сварных и разъемных соединений, как в том, что в составе ГТС, в газовых потребительских сетях используются запорная арматуры и счетчики. Запорная арматура изготовлена согласно соответствующему стандарту для природного газа и допускает протечки (абсолютно плотной арматуры не бывает). Допустимая герметичность арматуры для природного газа не может соответствовать требованиям по герметичности для водорода. Потребуется модернизация ГТС, потребительских сетей с заменой запорной и предохранительной арматуры, что скажется на удорожании газовой смеси.

С изменением плотности газовой смеси потребуется замена счетчиков или их модернизация у всех потребителей, включая население. С использованием водорода возрастают требования по пожарной и взрывобезопасности.

В настоящее время в СМИ достаточно часто появляются сообщения о взрывах газа в жилых домах. Наличие водорода в газовой смеси потребует дополнительного оснащения промышленных зданий, сооружений, жилых строений, в которых будет использоваться газовая смесь, специальной аппаратурой контроля и сигнализации, модернизации систем вентиляции с целью увеличения кратности воздухообмена.

Основное назначение украинской действующей ГТС сейчас состоит в транспортировке природного газа из РФ в ЕС. Украинская сторона связана обязательствами по объему и качеству перекачиваемого природного газа. В случае использования ГТС для перекачивания водорода возможны два сценария.

РФ после ввода в эксплуатацию газопровода «Северный поток-2» (СП-2) откажется от услуг украинской ГТС, а перекачивание водорода украинского производства станет нерентабельным из-за его недостаточного количества и невозможным по техническим причинам.

Кроме того, имеется заявление главы Оператора ГТС Украины Сергея Макогона от 6.03.21 г., в котором сказано, что после ввода в работу «СП-2», ГТС Украины будет модернизирована под внутренние потребности. С. Макогон ни словом не обмолвился о транспортировке водорода с использованием ГТС, и понятно почему.

Подмешивание водорода потребует стабильного поддержания параметров газовой смеси в трубопроводах, что технически трудноосуществимо.

Второй сценарий — РФ не согласует подмешивание водорода украинского производства в природный газ, подаваемый из РФ в ЕС, поскольку РФ несет ответственность за качество поставляемого природного газа, а добавление водорода в природный газ уменьшает теплотворную способность смеси по сравнению с чистым природным газом. Кроме того, РФ может не согласиться с подмешиванием водорода по политическим мотивам, что, скорее всего, и случится.

Второй способ хранения водорода — в емкостях под давлением. Этот способ позволяет хранить ограниченное количество продукта. Например, полная емкость стандартного пропанового баллона составляет 0.065 м3. Вес пропана в баллоне — 21.2 кг. Давление в баллоне равно 1.6 Мпа. Полный вес заправленного баллона — 43.2 кг.

Теплотворная способность пропана — 48 МДж/кг. Энергоемкость одного стандартного баллона, заполненного пропаном, равна 1017.6 МДж. Если пропановый баллон заполнить водородом при давлении 150 кгс/см2, то в баллон вмещается 0.8 кг водорода. Энергоемкость пропанового баллона, заполненного водородом, равна 97 МДж, то есть в 10 раз меньше энергоемкости баллона, заполненного пропаном.

Использование водорода

Практика использования водорода как энергоносителя обширна и представляет собой в основном две формы: генерацию тепловой энергии при его сгорании в атмосфере кислорода или воздуха во всякого рода устройствах и генерацию электрической энергии в топливных элементах.

Кроме того, водород может использоваться в металлургическом производстве и других отраслях экономики. Вызывает интерес использование водорода в топливных элементах, как перспектива, по заявлению сторонников «зеленой» энергетики, перевода транспорта на водородное топливо взамен углеводородного.

Топливный элемент представляет собой электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу (аккумулятору), но отличается от аккумулятора тем, что для электрохимической реакции в него подаются вещества из вне. Другими словами, в комплекте с топливными элементами должны быть баллоны с водородом.

Для получения электроэнергии от топливного элемента в него необходимо постоянно подавать водород и воздух (кислород) с определенным расходом при определенных параметрах от внешних источников.

Коэффициент полезного действия водородного топливного элемента согласно разным источникам составляет около 60%. Если водород генерируется в электролизерах, то как уже было сказано выше, коэффициент полезного действия электролизера составляет около 57%, а с учетом коэффициента полезного действия топливного элемента потребитель получает энергию с общим коэффициентом полезного действия 34.2%. Потери электроэнергии при генерации водорода и потери при обратном превращении водорода в электроэнергию оплачивает потребитель.

Основная проблема использования водорода в топливных элементах состоит в организации хранения его запаса. Предположим, что объем топливного бака автомобиля равен 40 л, в котором помещается 30 кг бензина. Энергоемкость бака с бензином составляет 1308 МДж из расчета, что теплотворность бензина равна 43.6 МДж/кг.

Коэффициент полезного действия бензинового двигателя внутреннего сгорания составляет в среднем 24%. Это значит, что в полезную работу превращается 314 МДж. Стоимость заправки бака бензином объемом 40 л по нынешним ценам составляет около 1100 грн.

Представим, что этот же автомобиль оборудован водородными топливными элементами. Поскольку коэффициент полезного действия топливного элемента равен 60%, то запас водорода должен составлять 313:0.6 = 523 МДж. Исходя из того, что теплотворность водорода равна 120.9 МДж/кг, то количество водорода в баке должно быть не менее 523:120.9 = 4.33 кг. Если хранить водород в баке при давлении 200 кгс/см2, то емкость бака должна быть не менее 0.26 м3, что эквивалентно 4 стандартным пропановым баллонам емкостью 0.065 м3 каждый.

Стоимость заправки 4 баллонов водородом в сумме 4.33 кг составит около 926 грн. Это только энергозатратная часть стоимости водорода, а с учетом остальных составляющих стоимость возрастет минимум в два раза, что станет значительно дороже заправки бензином.

С повышением давления толщина стенок баллона увеличивается, по оценочным расчетам вес одного баллона объемом 0.065 м3, рассчитанного на давление 200 кгс/см2, будет не менее 40 кг.

Суммарный вес баллонов с водородом составит не менее 160 кг плюс вес установки топливных элементов. Согласно публикациям СМИ, модульная установка водородных топливных элементов фирмы «Тойота» мощностью 60-80 кВт весит 240 кг, что сравнимо с весом аккумуляторных батарей электромобиля.

Однако автомобиль с аккумуляторными батареями значительно безопасней автомобиля с топливными водородными элементами, и соответственно дешевле.

Кроме того, топливные элементы по своим свойствам лимитированы по скорости изменения мощности, то есть не допускают форсажа. Это обстоятельство требует установки на автомобиль с топливными элементами аккумуляторных батарей для работы в пиковых режимах.

Возникает вопрос — не проще ли использовать транспортные средства с электрическими накопителями энергии?

Другим основным направлением использования водорода является сжигание с целью получения тепловой энергии в быту, в коммунальных системах отопления, в технологических процессах производства с использованием тепловой энергии. В данном случае проблемы состоят не в использовании, а в транспортировке, о чем было сказано выше.

Кроме того, при сжигании водорода, в связи с более высокими температурами горения по сравнению с природным газом, образуются оксиды азота (NОX) в большем количестве, чем при сжигании природного газа, жидкого или твердого топлива. Оксиды азота относятся к парниковым газам, выбросы которых ограничиваются.

Использование водорода в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания не перспективно в связи с тем, что эра двигателей внутреннего сгорания заканчивается. В некоторых европейских странах уже принято решение о прекращении через определенное время производства автомобилей с двигателями внутреннего сгорания.

И напоследок

Использование водородных технологий на основе применения «зеленого» водорода в Украине в искусственно созданных условиях экономически невыгодно и может быть чревато экономическими и политическими последствиями (как случилось с ВИЭ) в связи с тем, что, во-первых, стоимость «зеленого» водорода слишком высока. Продукция, произведенная с использованием «зеленого» водорода, поставит экономику Украины в разряд неконкурентных. Ключ к коммерческой реализации водородной энергетики определяется стоимостью электроэнергии для производства «зеленого» водорода. Стоимость электроэнергии ВИЭ в Украине до 2030 г. не позволяет что-либо предпринимать в коммерческом внедрении водородных технологий. Именно в связи с высокой стоимостью водорода известный мировой авторитет в области инноваций и инвестиций Илон Маск относительно водородных технологий неоднократно высказывался отрицательно, говоря, что это «тупиковая», «умопомрачительная» идея..

Во-вторых, снижение калорийности газовой смеси в связи с подмешиванием водорода потребует увеличения расходов и возможно модернизации устройств генерации тепловой энергии, пропускной способности устройств транспортировки.

В-третьих, повышенная текучесть водорода потребует замены запорной и предохранительной арматуры на системах газоснабжения.

В-четвертых, снижение плотности газовой смеси в связи с подмешиванием водорода потребует замены или модернизации счетчиков у промышленных и бытовых потребителей..

В-пятых, более широкий интервал взрывоопасности водорода по сравнению с природным газом потребует принятия дополнительных мер по взрывобезопасности, включая оснащение приборами контроля утечек, а также модернизации систем вентиляции.

В-шестых, основным источником выбросов парниковых газов в Украине не является энергетика. В настоящее время более половины электроэнергии вырабатывается на установках без выбросов парниковых газов (АЭС, ГЭС, ВЭС, СЭС). Выбросы СО2 при тепловой генерации в 55 млрд кВтч в год не превышают 50 млн т, в то время как общий объем выбросов СО2 в Украине оценивается в 170 млн т в год.

В-седьмых, придется решать с РФ конфликтную проблему изменения свойств перекачиваемой среды в ГТС.

Итого резюмируем, что вышеизложенные задачи относят водородную энергетику в разряд высоких и ответственных технологий. Для их решения потребуется разработка и применение отраслевых стандартов, нормативных актов, регламентирующих эту деятельность. Последствия некорректных решений для экономики, бюджета и населения Украины могут стать разорительнее в разы по сравнению с ситуацией в результате принятых законов по «зеленым» тарифам.

Об авторе

Георгий ГАВРИЛЕНКО, энергетик

Родился: 2 июня 1940 г. в Одессе.

Образование: Одесский технологический институт им. М.В. Ломоносова, 1964-1969 гг. Теплофизический факультет. Инженер-теплоэнергетик, специальность — атомные энергетические установки

Опыт работы: 1973-1974 гг. «Атомэнергоэкспорт», работа на АЭС «Норд» в ГДР. Специалист по обращению с жидкими радиоактивными отходами. Оказание технической поддержки специалистам заказчика на этапе ввода и эксплуатации блока №1; 1976-1980 гг. — «Атомэнергоэкспорт», работа на АЭС «Ловииза» в Финляндии. Руководитель пусконаладочной бригады по наладке систем и оборудования ядерного острова. Ввод в эксплуатацию блоков №№1,2 АЭС «Ловииза» в Финляндии; 1980-1982 гг. — Нововоронежская АЭС, дежурный мастер реакторного цеха. Старший инженер-оператор, начальник смены блока, начальник смены АЭС, участие в пусках блоков №№3,4,5; 1982-2003 гг. — Запорожская АЭС. Начальник производственно-технического отдела, главный инженер пусконаладочного подразделения по вводу в эксплуатацию блоков №№1-6, пуск 6-ти блоков ЗАЭС. Начальник лаборатории надежности; 2003-2008 гг. — «Атомтехэнерго». Руководитель пусконаладочной организации (SUT — start-up team) на площадке АЭС «Тяньвань» в Китае. Руководство работами по вводу блоков №№1, 2 в эксплуатацию, организация разработки предложений по устранению выявленных несоответствий; 2008-2014 гг. ЗАО «Атомстройэкспорт». Главный инженер Управления строительства на площадке АЭС «Кудамкулам» в Индии. Оказание технической помощи заказчику в сооружении и вводе в эксплуатации блоков №№1,2; с 2014 г. — пенсионер.

Посилання на оригінальну публікацію: e-b.com.ua/vodorodnye-perspektivy-409

 

Сгорание — водород — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2

Сгорание — водород

Cтраница 2

При сгорании водорода или водородсодержащих соединений образуется перекись водорода, которая затем разлагается на воду и кислород.  [16]

При сгорании водорода на воздухе образуется и оксид азота ( III) в ничтожно малых количествах.  [17]

При сгорании водорода объем его равен двум третям наблюденной контракции, так как на два объема водорода требуется один объем кислорода.  [18]

При сгорании водорода топлива получается вода, которая может находиться в жидком или парообразном состоянии. Поскольку для превращения жидкой воды в пар необходимо затратить определенное количество теплоты ( равное скрытой теплоте испарения), то при сгорании водорода с образованием воды будет выделяться больше теплоты, чем при сгорании его с образованием водяного пара.  [20]

При сгорании водорода топлива получается вода. При нормальных условиях она может находиться в жидком или парообразном состоянии. Так как для превращения жидкой воды в пар необходимо затратить определенное количество тепла ( скрытая теплота испарения), то при сгорании водорода с образованием воды будет выделяться больше тепла, чем при сгорании его с образованием водяного пара.  [21]

При сгорании водорода топлива получается вода. При нормальных условиях она может находиться в жидком или парообразном состоянии. Поскольку для превращения жидкой воды в пар необходимо затратить определенное количество тепла ( скрытая теплота испарения), то при сгорании водорода с образованием воды будет выделяться больше тепла, чем при сгорании его с образованием водяного пара.  [22]

Так, сгорание водорода в воздухе при высоких температурах описывается более, чем двадцатью реакциями.  [23]

Ядерная энергия сгорания водорода в гелий — около 7 Мэв на протон — в 106 раз больше энергии ионизации и нагрева водорода до lO K. Следовательно, сверхзвезда может прогреть и возмутить массу газа, во много — например, в 10 раз — большую массы самой сверхзвезды. Достаточно того, чтобы на хвосте гаус-совского распределения доля 10 — всего вещества превратилась в сверхзвезды и сгорела, как остальное вещество радикально изменяет свои свойства.  [24]

Удельная теплота сгорания водорода ( в жидкую воду) при 0 С равна — 142 2 кДж / г. Удельная теплота испарения воды при 0 С 2551 Дж / г. Рассчитать молярную теплоту образования водяного пара при 100 С.  [25]

Поскольку скорость сгорания водорода очень высока и источники его образования ограничены, концентрация его в продуктах сгорания невелика.  [26]

Удельная теплота сгорания водорода ( в жидкую воду) при 0 С равна — 142 2 кдж / г. Удельная теплота испарения воды при 0 С 2551 дж / г. Рассчитать мольную теплоту образования водяного пара при 100 С.  [27]

В результате сгорания водорода образуются водяные пары, окиси углерода — углекислый газ, углеводородов — водяные пары и углекислый газ, сероводорода — водяные пары и сернистый газ.  [28]

Удельная теплота сгорания водорода ( в жидкую воду) при 0 С равна — 142 2 кДж / г. Удельная теплота испарения воды при 0 С 2551 Дж / г. Рассчитать молярную теплоту образования водяного пара при 100 С.  [29]

Основным продуктом сгорания водорода в воздухе является вода. Из химических ее свойств прежде всего следует отметить большую устойчивость молекул по отношению к нагреванию.  [30]

Страницы:      1    2    3    4

Создано экспериментальное горелочное устройство для первой отечественной ГТУ на метано-водородном топливе

«Силовые машины» разработали и приступили к испытаниям экспериментального горелочного устройства* камеры сгорания для первой в России газотурбинной установки (ГТУ) на метано-водородном топливе – ГТЭ-65В. 

– «Силовые машины» инициировали разработку газовой турбины, которая будет использовать водород в качестве топлива. Для этого ведется разработка горелочных устройств и камеры сгорания — это основной конструктивный элемент, который требует проведения испытаний. Для этих целей используется специальный стенд, оснащенный различными датчиками для измерения температуры, пульсаций давления и других параметров, – отметил генеральный конструктор «Силовых машин» Александр Ивановский. 

В качестве топлива на первых пуско-наладочных испытаниях используется метан. Оба контура подачи топлива работают хорошо, происходит стабильное горение, полученные данные соответствуют расчетным значениям. После серии экспериментов на метане в топливо будут постепенно добавлять водород, увеличивая процентное соотношение с метаном и изучая характеристики горения. По итогам испытаний планируется довести долю водорода до 90-100%. 

Одна из наиболее важных частей испытываемой конструкции – жаровая труба – изготовлена из жаропрочного материала и предназначена для работы при температуре свыше тысячи градусов по Цельсию. За счет оригинальной системы подвода топлива в совокупности с высокотехнологичными датчиками удалось добиться повышенной безопасности процесса горения, что крайне важно при использовании в качестве топлива водорода.

Оригинальность разработки состоит также в том, что конструкция полностью модульная и разборная. Это позволит оперативно производить ее доработку для получения наилучших результатов. На данном горелочном устройстве будут отработаны все математические модели, что позволит точнее рассчитать камеру сгорания газовой турбины на метано-водородном топливе и минимизирует вероятность ошибки при переходе от опытной горелки к полноразмерной камере сгорания. 

В ходе испытаний предстоит экспериментально подтвердить правильность выбора методики расчета горения метано-водородной смеси, разработать и проверить решения по оптимизации конструкции горелочного устройства для решения проблем акустических пульсаций и обеспечения требуемого уровня выбросов оксидов азота NOx. Разработку технического проекта камеры сгорания газотурбинной установки предполагается завершить в 2023 году, после чего на промышленном предприятии будет изготовлен опытный образец жаровой трубы газотурбинной установки. 

Как показали предварительные исследования, использование метано-водородной смеси с долей водорода 40-50% увеличит мощность газотурбинной установки примерно на 10%. Такие энергоустановки можно будет в перспективе использовать на крупных промышленных предприятиях, для тепло и электроснабжения малых городов или жилых районов мегаполисов. 

*Горелочное устройство является важной частью камеры сгорания –ответственного элемента газотурбинной установки. В горелочное устройство подаются топливо и окислитель (воздух), после чего происходит процесс воспламенения топливовоздушной смеси. Надежность и долговечность элементов камеры сгорания определяют ресурс и основные характеристики всей установки.

11.6: Реакции горения — Chemistry LibreTexts

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  1. Реакции горения
  2. Сводка
  3. Авторы и авторство

Жарка зефира на открытом огне популярна во время походов и во время пикников.Хитрость заключается в том, чтобы зефир приобрел приятный золотисто-коричневый цвет, но не загорелся. Слишком часто человек, жарящий зефир, не достигает успеха, и зефир внезапно горит на палочке — прямо перед ним происходит реакция возгорания!

Реакция горения

Реакция горения — это реакция, при которой вещество реагирует с газообразным кислородом, выделяя энергию в виде света и тепла. Реакции горения должны включать \ (\ ce {O_2} \) в качестве одного реагента.При сгорании газообразного водорода образуется водяной пар:

\ [2 \ ce {H_2} \ left (g \ right) + \ ce {O_2} \ left (g \ right) \ rightarrow 2 \ ce {H_2O} \ left (g \ right) \]

Обратите внимание, что эта реакция также квалифицируется как реакция комбинации.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Взрыв Гинденберга. (CC BY-NC; CK-12)

Hindenberg был дирижаблем, заполненным водородом, который потерпел аварию при попытке приземлиться в Нью-Джерси в 1937 году. Водород немедленно воспламенился огромным огненным шаром, разрушив дирижабль и убив 36 человек. люди.Химическая реакция была простой: водород соединяется с кислородом с образованием воды.

Многие реакции горения происходят с углеводородом, соединением, состоящим исключительно из углерода и водорода. Продуктами сгорания углеводородов являются углекислый газ и вода. Многие углеводороды используются в качестве топлива, поскольку при их сгорании выделяется очень большое количество тепловой энергии. Пропан \ (\ left (\ ce {C_3H_8} \ right) \) — газообразный углеводород, который обычно используется в качестве источника топлива в газовых грилях.

\ [\ ce {C_3H_8} \ left (g \ right) + 5 \ ce {O_2} \ left (g \ right) \ rightarrow 3 \ ce {CO_2} \ left (g \ right) + 4 \ ce {H_2O } \ left (g \ right) \]

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Этанол можно использовать в качестве источника топлива в спиртовой лампе. Формула для этанола \ (\ ce {C_2H_5OH} \). Напишите сбалансированное уравнение горения этанола.

Решение

Шаг 1. Спланируйте проблему .

Этанол и кислород — реагенты.Как и в случае с углеводородами, продуктами сгорания спирта являются углекислый газ и вода.

Шаг 2: Решите .

Напишите уравнение скелета:

\ [\ ce {C_2H_5OH} \ left (l \ right) + \ ce {O_2} \ left (g \ right) \ rightarrow \ ce {CO_2} \ left (g \ right) + \ ce {H_2O} \ left (г \ вправо) \]

Сбалансируйте уравнение.

\ [\ ce {C_2H_5OH} \ left (l \ right) + 3 \ ce {O_2} \ left (g \ right) \ rightarrow 2 \ ce {CO_2} \ left (g \ right) + 3 \ ce {H_2O } \ left (g \ right) \]

Шаг 3. Подумайте о своем результате.

В реакциях горения в качестве реагента должен использоваться кислород. Обратите внимание, что получаемая вода находится в газообразном, а не в жидком состоянии из-за высоких температур, сопровождающих реакцию горения.

Сводка

  • Реакция горения — это реакция, при которой вещество реагирует с газообразным кислородом, выделяя энергию в виде света и тепла.
  • Приведены примеры реакций горения.

Авторы и авторство

  • Фонд CK-12 Шэрон Бьюик, Ричард Парсонс, Тереза ​​Форсайт, Шонна Робинсон и Жан Дюпон.

Центр данных по альтернативным видам топлива: основы водорода

Водород (H 2 ) — это альтернативное топливо, которое можно производить из различных внутренних источников. Хотя рынок водорода в качестве транспортного топлива находится в зачаточном состоянии, правительство и промышленность работают над чистым, экономичным и безопасным производством и распределением водорода для широкого использования в электромобилях на топливных элементах (FCEV). Легковые автомобили FCEV теперь доступны в ограниченных количествах для потребительского рынка в локализованных регионах внутри страны и по всему миру.Рынок также развивается для автобусов, погрузочно-разгрузочного оборудования (такого как вилочные погрузчики), наземного вспомогательного оборудования, грузовиков средней и большой грузоподъемности, морских судов и стационарного оборудования. Для получения дополнительной информации см. Свойства топлива и Центр ресурсов по анализу водорода.

В нашей окружающей среде много водорода. Он хранится в воде (H 2 O), углеводородах (таких как метан, CH 4 ) и других органических веществах. Одной из проблем использования водорода в качестве топлива является его эффективное извлечение из этих соединений.

В настоящее время паровой риформинг — сочетание высокотемпературного пара с природным газом для извлечения водорода — составляет большую часть водорода, производимого в Соединенных Штатах. Водород также можно получить из воды путем электролиза. Это более энергоемко, но может быть выполнено с использованием возобновляемых источников энергии, таких как ветер или солнце, и избегая вредных выбросов, связанных с другими видами производства энергии.

Почти весь водород, производимый в США каждый год, используется для очистки нефти, обработки металлов, производства удобрений и обработки пищевых продуктов.

Хотя производство водорода может приводить к выбросам, влияющим на качество воздуха, в зависимости от источника, FCEV, работающий на водороде, выделяет только водяной пар и теплый воздух в качестве выхлопных газов и считается автомобилем с нулевым уровнем выбросов. Основные усилия в области исследований и разработок направлены на то, чтобы сделать эти автомобили и их инфраструктуру практичными для широкого использования. Это привело к развертыванию легких серийных автомобилей для розничных потребителей, а также к первоначальному внедрению автобусов и грузовиков средней и большой грузоподъемности в Калифорнии и доступности автопарка в северо-восточных штатах.

Узнайте больше о водороде и топливных элементах из отдела технологий водородных и топливных элементов.

Водород в качестве альтернативного топлива

Водород считается альтернативным топливом в соответствии с Законом об энергетической политике 1992 года. Интерес к водороду как альтернативному транспортному топливу обусловлен его способностью приводить в действие топливные элементы в транспортных средствах с нулевым уровнем выбросов, его потенциалом для внутреннего производства и быстрым заполнением топливных элементов. время и высокая эффективность. Фактически топливный элемент, соединенный с электродвигателем, в два-три раза эффективнее двигателя внутреннего сгорания, работающего на бензине.Водород также может служить топливом для двигателей внутреннего сгорания. Однако, в отличие от FCEV, они производят выбросы из выхлопной трубы и менее эффективны. Узнайте больше о топливных элементах.

Энергия 2,2 фунта (1 килограмм) газообразного водорода примерно такая же, как энергия 1 галлона (6,2 фунта, 2,8 кг) бензина. Поскольку водород имеет низкую объемную плотность энергии, он хранится на борту транспортного средства в виде сжатого газа для достижения дальности движения обычных транспортных средств. В большинстве современных приложений используются резервуары высокого давления, способные хранить водород при плотности 5 000 или 10 000 фунтов на квадратный дюйм (psi).Например, FCEV, производимые производителями автомобилей и доступные в дилерских центрах, имеют резервуары на 10 000 фунтов на квадратный дюйм. Розничные диспенсеры, которые в основном расположены рядом с автозаправочными станциями, могут заполнить эти резервуары примерно за 5 минут. В электрических автобусах на топливных элементах в настоящее время используются баки емкостью 5000 фунтов на квадратный дюйм, для заполнения которых требуется 10–15 минут. Другие способы хранения водорода находятся в стадии разработки, включая химическое связывание водорода с таким материалом, как гидрид металла или низкотемпературные сорбирующие материалы. Узнайте больше о хранении водорода.

Данные с розничных заправок водородом, собранные и проанализированные Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии, показывают, что среднее время, затрачиваемое на заправку топливом FCEV, составляет менее 4 минут.

Калифорния является лидером в строительстве водородных заправочных станций для автомобилей FCEV. По состоянию на середину 2021 года 47 розничных водородных станций были открыты для публики в Калифорнии, а также одна на Гавайях, а еще 55 находились на различных стадиях строительства или планирования в Калифорнии. Эти станции обслуживают более 8000 автомобилей FCEV.Калифорния продолжает предоставлять финансирование для строительства водородной инфраструктуры в рамках своей Программы чистого транспорта. Калифорнийская энергетическая комиссия уполномочена выделять до 20 миллионов долларов в год до 2023 года и инвестирует в первые 100 общественных станций для поддержки и поощрения этих транспортных средств с нулевым уровнем выбросов. Кроме того, в северо-восточных штатах планируется построить 14 станций розничной торговли, некоторые из которых уже обслуживают клиентов автопарка.

Производители автомобилей предлагают FCEV только потребителям, живущим в регионах, где есть водородные станции.Неразничные станции в Калифорнии и по всей стране также продолжают обслуживать автопарк FCEV, включая автобусы. Многие распределительные центры используют водород в качестве топлива для погрузочно-разгрузочных машин в своей нормальной работе. Кроме того, было сделано несколько заявлений о производстве большегрузных автомобилей, таких как линейные грузовики, для которых потребуются заправочные станции с гораздо большей мощностью, чем существующие заправочные станции для легких грузовых автомобилей. Найдите заправочные станции водородом в Соединенных Штатах.

Сжигание водорода на воздухе | Эксперимент

Это практическое применение может быть использовано для представления идеи о том, что относительные количества топлива и кислорода (из воздуха) важны при сгорании, и что будет оптимальное соотношение, в котором эти два вещества реагируют. Это приводит к идее химических уравнений.

В случае классного эксперимента, когда учащиеся сами производят водород под строгим контролем, все генераторы водорода должны быть собраны после наполнения пробирки и до зажигания пламени, чтобы предотвратить возможность случайного или преднамеренного воспламенения. водород в генераторе.В прошлом это приводило к ряду несчастных случаев. В качестве альтернативы пробирки могут быть заполнены водородом заранее или под наблюдением студентов из постоянного баллона.

Время проведения демонстрации должно составлять около пяти минут. Для классного эксперимента потребуется больше времени (20–30 минут).

Оборудование

Аппарат

За одну демонстрацию
  • Защита глаз
  • Желоб из стекла или пластика
  • Пробирки, 3 шт.
  • Штатив для пробирок
  • Напорная трубка для сбора газа над водой (см. Схему ниже)
  • Резиновые пробки для пробирок, 3 шт.
  • Водонепроницаемый маркер
  • Шины деревянные
  • Бобышка, зажим и подставка
Для студенческих экспериментов
  • Защита глаз
  • Колба коническая, 100 см 3
  • Заглушка с одним отверстием для колбы
  • Напорная трубка для сбора газа над водой (см. Схему ниже)
  • Желоб из стекла или пластика для сбора газа
  • Измерительный цилиндр, 50 см 3
  • Пробирки, 3 шт.
  • Резиновые пробки для пробирок, 3 шт.
  • Штатив для пробирок
  • Водонепроницаемый маркер
  • Шины деревянные
  • Бобышка, зажим и стойка для реторты
  • Доступ к вытяжному шкафу для хранения генераторов водорода после использования

Химическая промышленность

За одну демонстрацию
Для студенческих экспериментов
  • Соляная кислота, 2 M (РАЗДРАЖАЮЩИЙ), 50 см 3
  • Цинк, гранулированный, 4–5 г
  • Раствор сульфата меди (II), около 0.5 М (МИНИМАЛЬНАЯ ОПАСНОСТЬ), несколько капель

Примечания по технике безопасности, охране труда и технике

  • Прочтите наше стандартное руководство по охране труда и технике безопасности.
  • Всегда пользуйтесь защитными очками.
  • Водород, H 2 (г), (ЧРЕЗВЫЧАЙНО ВОСПЛАМЕНЯЕТСЯ) — см. CLEAPSS Hazcard HC048.
  • Разбавленная соляная кислота, HCl (водн.), (РАЗДРАЖАЮЩАЯ при используемой концентрации) — см. CLEAPSS Hazcard HC047a и CLEAPSS Recipe Book RB043. Общий объем водорода, который может быть произведен с использованием данных количеств (избыток цинка), составляет немногим более 1000 см 3 .
  • Цинк, Zn (s) — см. CLEAPSS Hazcard HC107. Скорость производства водорода будет зависеть от площади поверхности гранул цинка. Избегайте больших комков и проведите пробный запуск перед занятием, чтобы убедиться, что объем и скорость производства водорода достаточны для заполнения трех пробирок до отмеченного объема после того, как воздух будет выпущен из устройства. Соответственно отрегулируйте количество гранул цинка и / или кислоты.
  • Раствор сульфата меди (II), CuSO 4 (водн.), (МИНИМАЛЬНАЯ ОПАСНОСТЬ при используемой концентрации) — см. CLEAPSS Hazcard HC027c и CLEAPSS Recipe Book RB031.Сульфат меди вступает в реакцию с цинком, образуя отложение металлической меди на цинке. Это действует как катализатор, ускоряя производство водорода. В центре должна быть одна капля раствора.
Показать полноэкранный режим

Процедура

Демонстрация учителей
  1. Отметьте три пробирки водонепроницаемой ручкой на четверть, половину и три четверти полной отметки соответственно.
  2. Наполните кювету водой и погрузите в нее пробирки, чтобы они наполнились водой.Поставьте резиновые пробки на дно лотка так, чтобы пробирки можно было надвинуть на них вниз, когда они наполнены, чтобы запечатать их.
  3. Подсоедините источник водорода к подающей трубке. Зажмите наполненную водой пробирку над желобом так, чтобы ее конец был хорошо погружен в воду. Отрегулируйте поток водорода так, чтобы пробирку можно было легко наполнить до заданной отметки. Дайте газу выйти в течение минуты или двух, чтобы удалить весь воздух из системы. Если в водороде мало или совсем нет воздуха, тогда полная пробирка должна загореться без хлопка и гореть тихо.(Добавление нескольких сантиметров магниевой ленты с цинком ускоряет выделение газа и помогает быстрее вымывать воздух.)
  4. Заполните каждую из отмеченных пробирок до отметки, удерживая ее вертикально над концом трубки подачи. Затем переместите его в сторону и медленно поднимите, пока воздух не войдет в трубку и не заполнит ее. Немедленно прижмите заполненную пробирку к пробке, закройте ее и поместите в штатив. Повторите то же самое с оставшимися пробирками.
  5. Зажигают газовую смесь в каждой из трубок по очереди либо с помощью светящейся шины, либо удерживая каждую трубку вверх дном перед тем, как снять пробку, а затем ненадолго пропустить горлышко трубки через пламя Бунзена.Смеси должны загореться с взрывными «хлопками» различной интенсивности.

Студенческие эксперименты
  1. Отметьте три пробирки водонепроницаемой ручкой на четверть, половину и три четверти полной отметки соответственно.
  2. Наполните кювету водой и погрузите в нее пробирки, чтобы они наполнились водой. Поставьте резиновые пробки на дно лотка так, чтобы пробирки можно было надвинуть на них вниз, когда они будут заполнены, чтобы запечатать их.
  3. Поместите гранулы цинка в колбу, свободно установите пробку, несущую трубку подачи, и зажмите колбу так, чтобы конец трубки подачи находился значительно ниже поверхности воды в желобе.
  4. Отмерьте 50 см 3 подаваемой разбавленной соляной кислоты, снимите подающую трубку и добавьте кислоту к гранулам цинка в колбе. Добавьте несколько (5–10) капель раствора медного купороса. Вращайте, чтобы перемешать, и снова подсоедините трубку подачи.
  5. Дайте возможность потоку пузырьков водорода из подающей трубки уйти в течение одной или двух минут, чтобы из колбы вытеснил весь воздух.
  6. Заполните одну из пробирок с водой до метки водородом, удерживая ее вертикально горлом под водой над концом трубки подачи. Затем переместите его в сторону и медленно поднимите, пока воздух не войдет в трубку и не заполнит ее. Немедленно прижмите заполненную пробирку к погруженной в воду пробке, чтобы закрыть ее и поместить в штатив. Повторите то же самое с двумя другими пробирками.
Важно

Перед тем, как перейти к следующему шагу, переместите все водородные устройства в безопасное место.

  1. Зажигают газовую смесь в каждой из трубок по очереди либо с помощью светящейся шины, либо удерживая каждую трубку вверх дном перед тем, как снять пробку, а затем ненадолго пропустить горлышко трубки через пламя Бунзена. Смеси должны загореться с взрывными «хлопками» различной интенсивности.

Учебные заметки

Происходит реакция сгорания водорода с образованием воды:

2H 2 (г) + O 2 (г) → 2H 2 O (г), ΔH = –484 кДж моль –1

Выделяемая энергия проявляется в виде тепла, света, звука и кинетической энергии, как в двигателе внутреннего сгорания.Смеси воздуха и горючих газов обычно имеют довольно узкие пределы взрываемости, но смеси водорода с воздухом взрывоопасны в гораздо более широком диапазоне (4–77 мол.% Водорода).

Наилучший эффект «взрыва» обычно достигается при использовании смеси, содержащей 20–40% по объему водорода. Можно указать повседневные примеры потребности в достаточном количестве воздуха для эффективного сгорания, например горелки Бунзена, бытовые газовые приборы и двигатели внутреннего сгорания.

Учитывая формулу для воды H 2 O, идеальное объемное соотношение водорода и кислорода для полного сгорания может быть рассмотрено классом с учетом закона Авогадро.Используя это соотношение и объемный состав воздуха, можно рассчитать объем воздуха, необходимый для полного сгорания водорода, и сравнить его с результатами класса.

Дополнительная информация

Это ресурс из проекта «Практическая химия», разработанного Фондом Наффилда и Королевским химическим обществом. Этот сборник из более чем 200 практических занятий демонстрирует широкий спектр химических концепций и процессов. Каждое упражнение содержит исчерпывающую информацию для учителей и технических специалистов, включая полные технические примечания и пошаговые инструкции.Практическая химия сопровождает практическую физику и практическую биологию.

© Фонд Наффилда и Королевское химическое общество

Проверено на здоровье и безопасность, 2016 г.

Водород по сравнению с другими видами топлива

Водород по сравнению с другими видами топлива

Подобно бензину или природному газу, водород является топливом, с которым необходимо обращаться должным образом. При соблюдении простых правил его можно использовать так же безопасно, как и другие обычные виды топлива.

Производство U.S. Министерство энергетики, Справочник по водороду. предоставляет полезные данные о свойствах водорода, в том числе:

  • Химические характеристики водорода (например, плотность, диапазон воспламеняемости, характеристики точки кипения, теплотворная способность)
  • Сравнение характеристик водорода и многих других топлив.

Гистограммы, представленные в следующих разделах, сравнивают некоторые ключевые свойства водорода со свойствами нескольких широко используемых видов топлива — природного газа, пропана и паров бензина.

Газообразный водород

Водород не имеет цвета, запаха, вкуса, нетоксичен и не ядовит. Он также не вызывает коррозии, но может охрупчивать некоторые металлы. Водород — самый легкий и мельчайший элемент, и в атмосферных условиях он представляет собой газ.

Природный газ и пропан также не имеют запаха, но промышленность добавляет серосодержащий одорант, чтобы люди могли их обнаружить. В настоящее время одоранты не используются с водородом, потому что не существует известных одорантов, достаточно легких, чтобы «путешествовать» с водородом с той же скоростью диспергирования.Современные одоранты также загрязняют топливные элементы, которые являются важным применением водорода.

Водород примерно в 57 раз легче паров бензина (как показано на Рисунке 1) и в 14 раз легче воздуха. Это означает, что если он выпущен в открытую среду, он обычно быстро поднимается и рассеивается. Это преимущество безопасности во внешней среде.


Рисунок 1. Относительная плотность пара

Водород — это очень маленькая молекула с низкой вязкостью, поэтому она склонна к утечкам.В замкнутом пространстве протекающий водород может накапливаться и достигать огнеопасной концентрации. Любой газ, кроме кислорода, является удушающим в достаточной концентрации. В закрытой среде утечки любого размера представляют собой проблему, поскольку водород невозможно обнаружить человеческими чувствами и он может воспламениться в широком диапазоне концентраций в воздухе, как обсуждается в следующем разделе. Надлежащая вентиляция и использование датчиков обнаружения могут снизить эти опасности.

Водород имеет высокое содержание энергии по массе, но не по объему, что представляет особую проблему для хранения.Чтобы хранить достаточное количество газообразного водорода, его сжимают и хранят при высоком давлении. В целях безопасности резервуары с водородом оснащены устройствами сброса давления, которые предотвращают слишком высокое давление в резервуарах.

Сжигание водорода

Температура самовоспламенения вещества — это самая низкая температура, при которой оно самовоспламеняется без наличия пламени или искры. Температуры самовоспламенения водорода и природного газа очень похожи.Оба имеют температуру самовоспламенения более 1000 ° F, что намного выше, чем температура самовоспламенения паров бензина, как показано на Рисунке 2.


Рис. 2. Температура самовоспламенения.

Диапазон воспламеняемости водорода (от 4% до 75% в воздухе) очень широк по сравнению с другими видами топлива, как показано на рисунке 3. При оптимальных условиях сгорания (объемное соотношение водорода и воздуха 29%) энергия, необходимая для инициировать горение водорода намного ниже, чем требуется для других распространенных видов топлива (например,g., небольшая искра воспламенит его), как показано на рисунке 4. Но при низких концентрациях водорода в воздухе энергия, необходимая для инициирования горения, аналогична энергии других видов топлива.


Рисунок 3. Диапазон воспламеняемости
Рисунок 4. Минимальная энергия зажигания.

Водород горит бледно-голубым пламенем, которое почти невидимо при дневном свете, поэтому его почти невозможно обнаружить человеческими чувствами (см. Видео о характеристиках водородного пламени в разделе «Подтверждающие примеры» в правом столбце этой страницы).Примеси, такие как натрий из океанического воздуха или других горючих материалов, придают цвет водородному пламени. Датчики обнаружения почти всегда устанавливаются с водородными системами, чтобы быстро идентифицировать любую утечку и минимизировать вероятность необнаруженного пламени. По сравнению с пламенем пропана (справа) на Рисунке 5, водородное пламя (слева) почти невидимо, но его можно увидеть с помощью тепловизионной камеры, показанной на переднем плане. Ночью видно водородное пламя, как показано на рис. 6.

Рисунок 5 — Пламя водорода и пропана при дневном свете
(Фото любезно предоставлено HAMMER)
Рис. 6. Пламя водорода и пропана ночью
(фото любезно предоставлено ImageWorks)

Кроме того, водородное пламя излучает небольшое количество инфракрасного (ИК) тепла, но значительное ультрафиолетовое (УФ) излучение.Это означает, что когда кто-то находится очень близко к водородному пламени, ощущения тепла мало, что делает случайный контакт с пламенем серьезной проблемой. Передержка ультрафиолета также вызывает беспокойство, поскольку может привести к эффектам, подобным солнечным ожогам.

Если большое облако водорода вступает в контакт с источником воспламенения, воспламенение приведет к тому, что пламя вернется к источнику водорода. В открытых пространствах без ограничений пламя будет распространяться через воспламеняющееся водородно-воздушное облако со скоростью несколько метров в секунду и даже быстрее, если температура облака выше температуры окружающей среды.В результате происходит быстрое выделение тепла, но небольшое избыточное давление, а продуктом сгорания является пар. Следует отметить, что сгорание водорода происходит быстрее, чем сгорание других видов топлива. Облако водорода сгорит в течение нескольких секунд, и вся энергия облака будет высвобождена.

Однако, если смеси газообразного водорода попадают в замкнутые пространства, очень вероятно возгорание, которое может привести к ускорению пламени и возникновению высокого давления, способного взорвать здания и бросить шрапнель.Воспламеняющиеся смеси водорода в замкнутых пространствах, таких как трубы или воздуховоды, в случае воспламенения легко вызовут ускоренное пламя и условия, которые могут привести к переходу к детонации. Детонация не происходит в неограниченных водородно-воздушных смесях без сильных ударных волн (т. Е. Взрывчатых веществ).

Утечка в системе хранения водорода под давлением (> 200 psia) приведет к образованию струи, которая может распространяться на несколько метров. В случае воспламенения струйное пламя может нанести серьезный ущерб всему, с чем сталкивается.

Расширение жидкого водорода

Жидкий водород имеет другие характеристики и другие потенциальные опасности, чем газообразный водород, поэтому для обеспечения безопасности используются другие меры контроля. В жидком виде водород хранится при температуре -423 ° F, температуре, которая может вызвать криогенные ожоги или повреждение легких. Датчики обнаружения и средства индивидуальной защиты имеют решающее значение при работе с потенциальной утечкой или разливом жидкого водорода.

Объемное отношение жидкости к газу составляет приблизительно 1: 850.Итак, если вы представите себе галлон жидкого водорода, то такое же количество водорода, существующего в виде газа, теоретически займет около 850 галлонов контейнеров (без сжатия). Водород претерпевает быстрое фазовое превращение из жидкости в газ, поэтому устройства вентиляции и сброса давления встроены в водородные системы для обеспечения безопасности.

Водород жидкий также бесцветен. Он очень холодный и сохраняется только при хранении в криогенном хранилище. Хранение обычно находится под давлением до 150 фунтов на квадратный дюйм.При попадании на поверхности с температурой окружающей среды жидкий водород быстро закипит, а его пары будут быстро расширяться, увеличиваясь в 848 раз в объеме при нагревании до комнатной температуры. Если жидкий водород ограничен (например, между клапанами, закрывающими часть трубы) и оставлен нагреваться без сброса давления, возможно давление, приближающееся к 25 000 фунтов на кв. Дюйм. За исключением специально разработанных кожухов, существует высокая вероятность разрыва открытых замкнутых пространств при таких давлениях с образованием струй газа под высоким давлением и высокоскоростной шрапнели.При таких обстоятельствах очень вероятно возгорание. Если большие количества водорода вытесняют кислород в воздухе, водород действует как удушающее средство.

Дизайн влияния свойств водорода

Понимание свойств водорода имеет решающее значение для правильного проектирования оборудования или рабочего пространства. Рабочее пространство может быть настроено так, чтобы снизить опасность за счет понимания и использования некоторых характеристик водорода. Некоторые типичные свойства водорода, метана и бензина представлены в разделе «Влияние свойств водорода на конструкцию объекта».

границ | Численное моделирование горения водорода: модель глобальной реакции и проверка

Введение

Ядерная энергия как чистая и устойчивая энергия вызвала интерес исследователей во всем мире (Momirlan and Veziroglu, 2005). Однако значительные проблемы безопасности, связанные с водородом, возникают в реакторах с водой под давлением и реакторах с кипящей водой на атомных электростанциях (Yanez et al., 2015). Взаимодействие расплавленной активной зоны с охлаждающей водой может привести к образованию большого количества водорода во время тяжелой аварии, что может привести к образованию легковоспламеняющейся смеси.Водород может воспламениться, что приведет к взрыву, который поставит под угрозу целостность защитной оболочки (I.A.E. Agency, 2011). Из-за более короткого периода времени и более низкой стоимости численное моделирование представляется подходящим инструментом для оценки водородного риска, который подчеркивает важность химических реакций для горения (Kuo, 2005). Следовательно, рациональные механизмы реакции и кинетические параметры важны для точного отражения процесса горения при численном моделировании.

В настоящее время подробные или общие механизмы могут использоваться для моделирования процесса горения и обеспечения понимания явлений горения.Очевидно, что подробный механизм, включающий большое количество компонентов и реакций, требует больших вычислительных затрат и медленно выполняет моделирование с высоким разрешением, что, в свою очередь, требует глобального механизма для прогнозирования характеристик горения с большой точностью при ограниченных ресурсах обработки (Kim et al., 2008 г.). Глобальные химические модели часто используются при крупномасштабном моделировании горения на атомных электростанциях (Manninen et al., 2002; Baraldi et al., 2007; Kim and Hong, 2015; San Marchi et al., 2015).

В настоящее время несколько исследователей (Sung et al., 2001; Bhattacharjee et al., 2003; Lu and Law, 2005, 2009; Law, 2006; Brad et al., 2007; Fernández-Galisteo et al., 2009) обратили внимание о сокращении механизма для получения одношаговых или скелетных механизмов, что включает в себя устранение неважных реакций и видов с помощью нескольких методов, таких как анализ чувствительности, применение предположений о частичном равновесии и квазистационарном состоянии, а также направленный граф отношений. Однако эти методы требуют сильных знаний, зависящих от механизмов, и обычно требуют много времени из-за повторяющейся процедуры и процесса проверки для исключения видов (Lu and Law, 2005).Следовательно, необходимо разработать разумный и упрощенный метод получения одношаговой модели химии.

Исследования механизмов, использующих скорость распространения ламинарного пламени, проводились в глобальном масштабе. Эгольфопулос и Ло (1990), основываясь на соотношении между скоростью ламинарного распространения и давлением, изучили скорость ламинарного распространения, изменяющуюся с давлением из-за обрыва цепи, когда давление превышает определенный диапазон. Bane et al. (2010) рассчитали общий порядок реакции, энергию активации и предэкспоненциальный фактор одноступенчатой ​​модели водород / воздух с помощью модели взрыва постоянного давления и объема.Однако модель была основана на скорости детонации и, таким образом, установленный механизм игнорировал влияние ламинарного пламени. С целью моделирования крупномасштабного горения и взрыва водорода Wang et al. (2012) установили одношаговые и транспортные модели топливно-воздушной смеси. Тем не менее, порядок реакции, рассчитанный из константы A [ O ] n nF exp (- E a / RT ), оказался неточным и необоснованным, поскольку концентрация кислорода зависит от концентрации топлива.На основе тепловой теории Хайкин и Мержанов (1966) предложили связь между скоростями горения и порядком реакции, энергией активации реакции газ-твердое тело в условиях стационарного горения, что широко применялось при гетерогенном горении (Мержанов и др., 1972; Азатян и др., 1979; Кирдяшкин и др., 1981; Холт и др., 1985). Энергия активации может быть получена путем подбора экспериментальных скоростей при адиабатической температуре пламени. Однако эти выражения не подходят для гомогенных (газофазных) реакций.

В этой статье был разработан метод, основанный на тепловой теории, для получения параметров скорости реакции для глобальной модели. Используя рассчитанные кинетические параметры, модель при более низкой концентрации водорода ( C водород <20%) была реализована как в наших экспериментах, проводимых в закрытом контейнере, так и на установках для испытаний на горение (CTF) (Whitehouse et al., 1996 ) и подтверждено сравнением положения фронта пламени водородно-воздушных смесей. Кроме того, модель при более высокой концентрации водорода ( C водород > 20%) сравнивалась с результатами, моделируемыми с помощью детального механизма.

Глобальный механизм

Следующие допущения сделаны для создания подробной модели в этом исследовании:

(1) Одномерный, постоянной площади и устойчивый поток.

(2) Кинетическая и потенциальная энергия, вязкая поперечная сила и тепловое излучение не учитываются.

(3) Повышение давления в пламени очень мало, поэтому им можно пренебречь, т. Е. Давление остается постоянным.

(4) Топливо и окислитель образуют продукты в одноступенчатом механизме.

(5) Температурный поправочный коэффициент β равен 0.

Тепловая теория (Chatelier, 1883; Evans, 1952) изучает явления тепловыделения и распространения без учета факторов диффузии. Кроме того, тепловая теория почти не опирается на физический процесс и объединяет принципы теплопередачи, химической кинетики и термодинамики, не обращаясь к математике. Поэтому в этой статье разработан метод одноступенчатого механизма горения водорода, а энергия активации и предэкспоненциальный множитель получены на основе тепловой теории.

Процесс воспламенения смеси можно разделить на две области: область предварительного нагрева и область химической реакции. В области предварительного нагрева газ нагревается от начальной температуры T 0 за счет теплопроводности и воспламеняется на границе; в области химической реакции скрытая химическая энтальпия газа переходит в явную энтальпию продуктов.

Тепловой поток, передаваемый за счет теплопроводности между T 0 и T i , равен Q = Cpṁ (T0 − Ti), и предполагается, что газ имеет постоянную удельную теплоемкость C p .Передача тепла от горящей стороны к несгоревшей смеси следует принципу теплопроводности Фурье, поэтому тепловой поток можно выразить как Q = λ (Tf − Ti) δr. В соответствии с тепловой теорией уравнение баланса энергии составляет

ṁCp (Ti − T0) = λ (Tf − Ti) δr (1)

, где T f — температура пламени; T i — температура воспламенения; δ r — расстояние, на котором температура повышается от T i до T f ; ṁ — поток массы.

Определение массового потока ṁ = ρSL, уравнение. 1 дает

SL = λρCp (Tf − Ti) (Ti − T0) 1δr (2)

где S L — ламинарная скорость горения; ρ — плотность несгоревшего газа.

Определив время реакции τ r , длину реакции δ r можно получить по

δr = SLτr = SL [x] w = pwRTSL (3)

, где [ x ] — концентрация газа компонента x ; p — давление газа; R — универсальная газовая постоянная; w — скорость общей реакции; T — температура горения.

Подставляя уравнение. 3 в уравнение. 2 дает

SL2 = λρCp (Tf − Ti) (Ti − T0) wRTp. (4)

Константы скорости глобального механизма реакции горения водорода могут быть выражены как

, где A 0 — коэффициент константы скорости, E a — энергия активации; a и b — порядки реакции; k G — константа скорости реакции; [H 2 ] и [O 2 ] представляют собой концентрацию непрореагировавшего водорода и кислорода соответственно.

Определение Z = Tf-TiTi-T0 и извлечение корня уравнения. 4 можно вывести следующее выражение

SL = ZλRTpρCpA [h3] a [O2] bexp − EaRT. (8)

Определение Y = SL2ZpρCpλRT и логарифм уравнения. 8 выход

ln Y = −EaRT + a ln [h3] + b ln [O2] + ln A. (9)

На рисунке 1 показаны скорости ламинарного горения водородно-воздушных смесей (Günther, Janisch, 1972; Andrews, Bradley, 1973; Liu and MacFarlane, 1983; Berman, 1984; Koroll et al., 1993; Aung et al., 1997). . Эти экспериментальные данные были подтверждены несколькими исследователями и считаются точными скоростями ламинарного горения, которые можно использовать для получения кинетических параметров.В настоящей статье предэкспоненциальный множитель A , энергия активации E a и порядки реакций могут быть получены с использованием метода наименьших квадратов из уравнения. 9, которые приведены в уравнениях 10 и 11. Кинетические параметры глобальных механизмов могут быть рассчитаны с помощью измерений скорости горения при низких ( C водород <20%) и высоких концентрациях водорода ( C водород > 20%) соответственно.

Рисунок 1 .График скорости ламинарного горения смесей водорода с воздухом в зависимости от концентрации водорода: (A) C водород <20%; (B) C водород > 20%.

Рассчитанные наилучшие соответствия согласно теории Аррениуса для концентрации водорода ниже 20% и выше 20% следующие [кГс (CHydrogen <20%) и kG (CHydrogen> 20%) в единицах кмоль −0,5 м 1,5 с −1 и кмоль −0.4 м 1,2 с −1 соответственно]:

wCHydrogen <20% = kG [h3] 1 [O2] 0,5, kG (CHydrogen <20%) = 6 × 1013exp (-1,65E8RT), (10) wCHydrogen> 20% = kG [h3] 0,2 [O2] 1,2, kG (CHydrogen> 20%) = 2,6 × 1010exp (-0,72E8RT). (11)

Данные скорости реакции, показанные на рисунке 2, указывают на кинетические параметры глобального механизма, от очень бедной (12% водорода) до очень богатой (концентрация водорода 70%).

Рисунок 2 . График Аррениуса общих данных константы скорости, полученных из экспериментальных данных [символы представляют экспериментальные данные; линия представляет собой аппроксимацию методом наименьших квадратов в форме kG = A exp (-Ea ∕ RT)]: (A) C водород <20%; (B) C водород > 20%.

Проверка модели

Шаги проверки одношаговой модели следующие. Во-первых, проверка, основанная на лабораторном эксперименте, полные геометрические детали которого приведены в Liu et al. (2016). Кроме того, насколько известно автору, лабораторные эксперименты по измерению положения фронта пламени водородно-воздушных смесей редко доступны, и понимание распространения фронта пламени необходимо для создания численных моделей (Xiao et al., 2012).Во-вторых, валидация проводится в экспериментах на установке CTF. В-третьих, положения фронта пламени, моделируемые глобальным механизмом ( C водород > 20%), сравнивались с таковыми с использованием детального химического механизма (Маринов и др., 1995).

Численные работы

Нестационарные потоки при горении с предварительной смесью регулируются усредненными уравнениями Навье – Стокса. Уравнения сохранения массы, импульса и энергии показаны следующим образом:

Масса:

∂ρ∂t + div (ρU →) = 0 (12)

Импульс:

∂ (ρu) ∂t + div (ρuU →) = div (μ grad u) −∂p∂x + Su∂ (ρv) ∂t + div (ρvU →) = div (μ grad v) −∂p∂y + Sv∂ (ρw) ∂t + div (ρwU →) = div (μ grad w) −∂p∂z + Sw (13)

Энергия:

∂ (ρT) ∂t + div (ρTU →) = divλCpgradT + ST (14)

, где u , v и w — средние скорости по Фавру, t — время, p — давление жидкости, μ — динамическая вязкость, S u , S v и S w — исходные члены уравнения сохранения количества движения, C p — удельная теплоемкость при постоянном давлении, λ — теплопроводность, S T — исходный член уравнения сохранения энергии, включая излучение, химическую реакцию и вязкую диссипацию.

Уравнение переноса веществ имеет следующий общий вид:

∂ (ρci) ∂t + div (ρciU →) = div (Digrad (ρci)) + Ri (15)

, где c i — концентрация видов i по объему, D i — массовый коэффициент диффузии видов i и R i — чистая скорость производства видов i путем химической реакции в системе.

Стандартная модель k — ε используется для модели турбулентности, как показано в уравнениях 16 и 17, а модель горения, называемая концепцией вихревой диссипации (EDC), используется в нашем моделировании, которая способна справиться с турбулентностью — химическое взаимодействие путем включения ε и k в исходный элемент

∂ρ¯k∂t + ∂ρ¯ũik∂xi = ∂∂xiμ + μtσk∂k∂xi + Pk − ρ¯ε (16) ∂ρ¯ε∂t + ∂ρ¯ũiε∂xi = ∂∂xiμ + μtσε∂ε∂xi + εkC1Pk − C2ρ¯ε (17)

, где C 1 , C 2 , σ k и σ ε — константы модели, ε — диссипация турбулентной кинетической энергии.Кинетические параметры, вычисленные в уравнениях 10 и 11, используются в глобальном механизме наряду со стандартными моделями k — ε и EDC.

Конечная сетка и временной шаг, использованные в этой статье, составляли сетку 2 мм и 1 × 10 −4 с через , проверяя независимость сетки и временного шага. Был принят метод PISO, используемый для связи давления и скорости, схемы QUICK выбраны для уравнения энергии, а численные схемы второго порядка против ветра адаптированы к пространственной дискретизации для уравнений потока, видов и турбулентности.Применяемые начальные условия включают начальную концентрацию газов и положения зажигания. Граничные условия прилипания стенок при постоянной температуре применяются к твердым поверхностям. Воспламенение достигается за счет наложения горячих продуктов в центре места воспламенителя, обеспечивая энергию зажигания 0,01 Дж, соответствующую радиусу воспламенения r k = 2,5 мм.

Экспериментальная работа

В этой статье рассматриваемая геометрическая модель такая же, как и экспериментально исследованная Лю и др.(2016). Лабораторная экспериментальная установка для сжигания водорода / воздуха показана на рисунке 3. Она состоит из реакционного контейнера цилиндрического типа с внутренним диаметром 0,4 м и высотой 2,3 м. Термопары R-типа были выровнены вертикально на равном расстоянии от оси реакционной камеры, чтобы получить распределение температуры газа в процессе горения. Кроме того, в центре камеры располагались термопары E-типа и датчики давления для измерения начальной температуры и давления смеси соответственно.Обедненные топливом смеси водорода с воздухом различных стехиометрических соотношений воспламенялись искровым воспламенителем на дне контейнера.

Рисунок 3 . принципиальная схема камеры сгорания / контейнера.

Проверка модели

На рис. 4 показано положение фронта пламени при изменении начальной концентрации пара и положения воспламенения. Точные параметры при экспериментальных измерениях и моделировании по глобальному механизму следующие, первоначально 373 K, 0.1 МПа, концентрация водорода 10% и концентрация пара от 0 до 30% для рисунка 4A, и первоначально 373 K, 0,1 МПа, концентрация водорода 10% с верхним и нижним зажиганием без пара для рисунка 4B. Видно, что глобальный механизм хорошо согласуется с экспериментальными данными. На рис. 5 показано отклонение положения фронта пламени, полученное при моделировании и эксперименте, и отклонение положения фронта пламени находится в пределах 20%.

Рисунок 4 . Сравнение численных и экспериментальных результатов: (A) влияние начальной концентрации пара; (B) влияние положения зажигания.

Рисунок 5 . Сравнение положений фронта пламени по обновленной кинетике и экспериментам.

Одноступенчатый механизм был дополнительно подтвержден экспериментом CTF (Whitehouse et al., 1996). На рис. 6А показаны прогнозируемые результаты для концентрации водорода 12,8% при 0,1 МПа, первоначально 298,15 К. На рис. 6В представлены отклонения положения фронта пламени, рассчитанные с помощью глобального механизма и полученные в результате экспериментов. Из рисунка 6В видно, что большинство отклонений положения фронта пламени составляет менее 20%.Результаты показывают, что глобальный механизм достаточно хорошо предсказывает опубликованные экспериментальные результаты.

Рисунок 6 . (A) Сравнение положения фронта пламени между числовыми и опубликованными данными; (B) сравнение положения фронта пламени между обновленной кинетикой и экспериментами.

Согласие между экспериментальными результатами, полученными как с нашим контейнером, так и с CTF и численным моделированием, было достигнуто, что указывает на то, что текущая глобальная модель ( C водород <20%) хорошо предсказывает эксперименты.

Для проверки глобального механизма ( C водород > 20%) было проведено моделирование положения фронта пламени с использованием глобального механизма по сравнению с подробной моделью (Маринов и др., 1995) в большом диапазоне концентраций в контейнер с той же геометрией, что и эксперименты Лю (Liu et al., 2016). На рисунке 7 показано сравнение положения фронта пламени и температуры пламени между общим механизмом и подробной моделью. Прогнозы с глобальной моделью смогли соответствовать прогнозам с использованием детального механизма с погрешностью 20% в диапазоне концентраций водорода от 20 до 70%.

Рисунок 7 . (A) Сравнение глобального механизма и детального механизма; (B) Температуры пламени рассчитаны с помощью общего механизма и детального механизма.

Заключение

Метод, основанный на тепловой теории, был разработан для расчета значений порядков реакций, энергии активации и предэкспоненциального фактора глобального механизма во всем диапазоне концентраций, от очень бедной (12% концентрации водорода) до очень богатой (70% концентрации водорода). концентрация водорода).Этот общий механизм ( C, , , водород, <20%) был подтвержден экспериментом, проведенным в закрытом лабораторном контейнере для сжигания и установке CTF. Кроме того, прогнозируемые результаты, полученные с помощью глобального механизма ( C водород > 20%), были сопоставлены с результатами прогноза с подробным механизмом. Численные данные с глобальным механизмом хорошо согласуются с результатами, полученными в экспериментах, и с детальным механизмом.Оба они обеспечивают разумное доказательство в пользу существующей модели и указывают на то, что модель может быть широко применима для крупномасштабного и сложного структурного моделирования горения водорода.

Номенклатура

Римские символы
A 0 коэффициент константы скорости [кмоль −0,4 м 1,2 с −1 или кмоль −0,5 м 1,5 с −1 ]
С объемная концентрация [% об.]
C 1 , C 2 константы турбулентной модели
C p удельная теплоемкость при постоянном давлении [Дж кг −1 K −1 ]
D i массовый коэффициент диффузии частиц i 2 с −1 ]
E a энергия активации [ккал моль -1 или Дж моль -1 ]
2 ] концентрация непрореагировавшего водорода [моль м -3 ]
[O 2 ] концентрация непрореагировавшего кислорода [моль м -3 ]
Q Поток теплопроводности [Дж с −1 м −2 ]
R универсальная газовая постоянная [Дж моль −1 K −1 ]
R i чистая скорость производства видов и в результате химической реакции в системе
S L скорость ламинарного горения [м с −1 ]
S T исходный член уравнения сохранения энергии
S u , S v , S w исходные члены уравнения сохранения импульса
Т 0 начальная температура [К]
T i температура воспламенения [К]
T f температура пламени [К]
a , b заказ реакции
c i концентрация видов i по объему
кг (хлородород <20%) константа скорости реакции для H 2 с концентрацией ниже 20% [кмоль −0.5 м 1,5 с −1 ]
кГ (Хидроген> 20%) константа скорости реакции для H 2 с концентрацией выше 20% [кмоль −0,4 м 1,2 с −1 ]
массовый поток [кг м −2 с −1 ]
п. давление [Па]
r k радиус воспламенения [мм]
т раз [с]
u , v , w Скорость, усредненная по Фавру [м с −1 ]
w скорость общей реакции [моль с -1 м -3 ]
[ x ] газовая концентрация компонента x
Греческие символы
β Коэффициент температурной коррекции
δ r расстояние реакции, при котором температура повышается с T i до T f [м]
ε Рассеяние турбулентной кинетической энергии
λ теплопроводность [Вт · м −1 K −1 ]
мкм динамическая вязкость [Па с]
ρ плотность [кг м −3 ]
σ k , σ ε константы модели
τ r время реакции [с]
Φ коэффициент эквивалентности

Авторские взносы

YL предложил идею статьи и написал рукопись.YZ выполнил расчет и написал рукопись.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Список литературы

Эндрюс Г. и Брэдли Д. (1973). Определение скорости горения методом двойного зажигания в закрытом сосуде. Сжигание. Пламя 20, 77–89. DOI: 10.1016 / S0010-2180 (73) 81259-3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Аунг, К.Т., Хассан М.И. и Фаэт Г.М. (1997). Взаимодействие ламинарного предварительно смешанного пламени водорода / воздуха при растяжении пламени при нормальной температуре и давлении. Сжигание. Пламя 109, 1–24. DOI: 10.1016 / S0010-2180 (96) 00151-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Азатян Т., Мальцев В., Мержанов А., Селезнев В. (1979). Некоторые принципы горения титано-кремниевых смесей. Сжигание. Explos. Ударные волны 15, 35–40. DOI: 10.1007 / BF00785326

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бэйн, С., Зиглер Дж. И Шеперд Дж. (2010). Разработка одношаговых химических моделей для моделирования пламени и воспламенения . Отчет GALCIT GALTCITFM: 2010002. Выпускник аэрокосмических лабораторий Калифорнийского технологического института, Пасадена.

Google Scholar

Baraldi, D., Heitsch, M., and Wilkening, H. (2007). CFD-моделирование горения водорода в упрощенной защитной оболочке EPR с CFX и REACFLOW. Nucl. Англ. Des. 237, 1668–1678. DOI: 10.1016 / j.nucengdes.2007.02.026

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Берман, М. (1984). Отчет Sandia Laboratories , SAND84-0689. Альбукерке.

Google Scholar

Бхаттачарджи, Б., Швер, Д. А., Бартон, П. И., и Грин, В. Х. (2003). Оптимально-восстановленные кинетические модели: устранение реакции в крупномасштабных кинетических механизмах. Сжигание. Пламя 135, 191–208. DOI: 10.1016 / S0010-2180 (03) 00159-7

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Брэд, Р., Томлин, А., Фэйрвезер, М., и Гриффитс, Дж. (2007). Применение методов химического восстановления к системе сгорания, демонстрирующей сложную динамику. Proc. Гореть. Inst. 31, 455–463. DOI: 10.1016 / j.proci.2006.07.026

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шателье, М. Л. (1883). Тепловая теория. Annales Des Mine. 8, 274–377.

Google Scholar

Egolfopoulos, F., и Law, C. (1990). Цепные механизмы в общих порядках реакций при ламинарном распространении пламени. Сжигание. Пламя 80, 7–16. DOI: 10.1016 / 0010-2180 (90) -W

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эванс, М. В. (1952). Современные теоретические концепции распространения стационарного пламени. Chem. Ред. 51, 363–429. DOI: 10.1021 / cr60160a001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фернандес-Галистео, Д., Санчес, А., Линьян, А., и Уильямс, Ф. (2009). Одноступенчатая восстановленная кинетика для дефлаграции обедненного водорода и воздуха. Сжигание. Пламя 156, 985–996.DOI: 10.1016 / j.combustflame.2008.10.009

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гюнтер Р. и Яниш Г. (1972). Измерения скорости горения на плоском фронте пламени. Сжигание. Пламя 19, 49–53. DOI: 10.1016 / S0010-2180 (72) 80085-3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Холт, Дж. Б., Кингман, Д., и Бьянкини, Г. (1985). Кинетика горения синтеза TiB2. Mater. Sci. Англ. 71, 321–327. DOI: 10.1016 / 0025-5416 (85)

  • -7

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    И.Агентство A.E. (2011). Смягчение опасностей, связанных с водородом при тяжелых авариях на атомных электростанциях . Вена: I.A.E. Агентство.

    Google Scholar

    Хайкин Б., Мержанов А. (1966). Теория теплового распространения фронта химической реакции. Сжигание. Explos. Ударные волны 2, 22–27. DOI: 10.1007 / BF00749022

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ким Дж. И Хонг С. В. (2015). Анализ ускорения водородного пламени в защитной оболочке APR1400 путем объединения кодов распределения водорода и анализа горения. Прог. Nucl. Энергия 78, 101–109. DOI: 10.1016 / j.pnucene.2014.09.003

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ким, Дж. П., Шнелл, У., Шеффкнехт, Г. (2008). Сравнение различных глобальных механизмов реакции при умеренном горении природного газа. Сжигание. Sci. Technol. 180, 565–592. DOI: 10.1080 / 00102200701838735

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Кирдяшкин А., Максимов Ю. М., Мержанов А. (1981). Влияние капиллярного потока на горение в безгазовой системе. Сжигание. Explos. Ударные волны 17, 591–595. DOI: 10.1007 / BF00784246

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Королл Г., Кумар Р. и Боулз Э. (1993). Скорости горения водородно-воздушных смесей. Сжигание. Пламя 94, 330–340. DOI: 10.1016 / 0010-2180 (93)

  • -H

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Куо, К. К. (2005). Принципы горения . США: Wiley.

    Google Scholar

    Закон, К. К.(2006). Физика горения . Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета.

    Google Scholar

    Лю Д. и Макфарлейн Р. (1983). Ламинарные скорости горения водородно-воздушного и водородно-воздушного паровых пламен. Сжигание. Пламя 49, 59–71. DOI: 10.1016 / 0010-2180 (83)

  • -7

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Лю Ю., Чжан Ю., Лю X., Лю З. и Че Д. (2016). Экспериментальное и численное исследование горения предварительно смешанной смеси h3 / воздух. Внутр. J. Hydrogen Energy 41, 10496–10506. DOI: 10.1016 / j.ijhydene.2016.01.049

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Лу, Т., и Ло, К. К. (2005). Метод ориентированного графа отношений для редукции механизма. Proc. Гореть. Inst. 30, 1333–1341. DOI: 10.1016 / j.proci.2004.08.145

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Лу, Т., и Ло, К. К. (2009). На пути к учету реалистичного химического состава топлива в крупномасштабных вычислениях. Прог.Энергия сгорания. Sci. 35, 192–215. DOI: 10.1016 / j.pecs.2008.10.002

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Маннинен М., Силде А., Линдхольм И., Хухтанен Р. и Шовалл Х. (2002). Моделирование горения и детонации водорода в здании реактора BWR. Nucl. Англ. Des. 211, 27–50. DOI: 10.1016 / S0029-5493 (01) 00443-5

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Маринов, Н. М., Уэстбрук, К. К., и Питц, В. Дж. (1995). «Подробная и глобальная модель химической кинетики водорода», 8-й Международный симпозиум по транспортным свойствам (Сан-Франциско, Калифорния: Тейлор и Фрэнсис), 118–129.

    Google Scholar

    Мержанов А., Боровинская И., Володин Ю. Е. (1972). «Механизм горения пористых металлических образцов в азоте», , Докл АН СССР, , 905–908.

    Google Scholar

    Момирлан, М., Везироглу, Т. Н. (2005). Свойства водорода в качестве топлива завтрашнего дня в устойчивой энергетической системе для более чистой планеты. Внутр. J. Hydrogen Energy 30, 795–802. DOI: 10.1016 / j.ijhydene.2004.10.011

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Сан-Марчи, К., Hecht, E. S., Ekoto, I. W., Groth, K. M., LaFleur, C., Somerday, B.P., et al. (2015). «Достижения в исследованиях и разработках, направленных на укрепление научной базы правил, кодексов и стандартов по водороду», в 6-я Международная конференция по водородной безопасности (ICHS) (Иокогама, Япония).

    Google Scholar

    Sung, C.J., Law, C.K., и Chen, J.Y. (2001). Расширены восстановленные механизмы выброса NO при окислении метана. Сжигание. Пламя 125, 906–919. DOI: 10.1016 / S0010-2180 (00) 00248-0

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Ван, К., Вэнь, Дж., Лу, С., и Го, Дж. (2012). Одношаговая химическая модель и модель транспортных коэффициентов для горения водорода. Sci. Подбородок. Technol. Sci. 55, 2163–2168. DOI: 10.1007 / s11431-012-4932-4

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Уайтхаус Д. Р., Грейг Д. Р. и Королл Г. У. (1996). Сжигание стратифицированных водородно-воздушных смесей в цилиндре горючего стенда объемом 10,7 м3. Nucl. Англ. Des. 166, 453–462. DOI: 10.1016 / S0029-5493 (96) 01261-7

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Сяо, Х., Макаров, Д., Сан, Дж., И Молков, В. (2012). Экспериментальное и численное исследование распространения пламени смеси с искаженной формой тюльпана в закрытом канале. Сжигание. Пламя 159, 1523–1538. DOI: 10.1016 / j.combustflame.2011.12.003

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Янез Дж., Кузнецов М., Соуто-Иглесиас А.(2015). Анализ взрыва водорода при аварии на АЭС Фукусима-Дайичи. Внутр. J. Hydrogen Energy 40, 8261–8280. DOI: 10.1016 / j.ijhydene.2015.03.154

    CrossRef Полный текст | Google Scholar

    Как водородные двигатели внутреннего сгорания могут способствовать нулевым выбросам

    Регулирующие органы ужесточают правила выбросов для шоссейных грузовиков на многих крупнейших мировых рынках (Приложение 1). Начиная с 2030 года регулирующие органы в Европе будут требовать от производителей сократить выбросы CO 2 для новых шоссейных грузовиков на 30 процентов по сравнению с уровнями 2019 года.

    Аудио

    Послушайте эту статью

    В США целевой показатель сокращения выбросов к 2027 году на 46 процентов ниже уровня 2010 года. В пятнадцати штатах США во главе с Калифорнией действуют дополнительные мандаты, согласно которым к 2030 году 30 процентов проданных грузовиков будут иметь нулевые выбросы. Аналогичным образом китайские регулирующие органы требуют от производителей оборудования снизить выбросы от тяжелых грузовиков на 24 процента с 2021 года по сравнению с 2012 годом.Вероятны дополнительные долгосрочные цели, учитывая, что Китай недавно присоединился к растущей группе стран с целевыми показателями чистых нулевых выбросов к 2060 году или ранее.

    Приложение 1

    Мы стремимся предоставить людям с ограниченными возможностями равный доступ к нашему сайту. Если вам нужна информация об этом контенте, мы будем рады работать с вами. Напишите нам по адресу: [email protected]

    Грузовики повышенной проходимости традиционно меньше подвергались контролю со стороны регулирующих органов; однако OEM-производители в внедорожное пространство ожидает все возрастающее давление со стороны клиентов на декарбонизацию.За последние два года крупные горнодобывающие компании поставили амбициозные цели по декарбонизации, стремясь к Сферам 1 и 2. CO 2 нейтралитет. Например, Anglo American и Fortescue объявили о своих целевых показателях углеродной нейтральности Scope 1 и 2 к 2040 году в 2019 и 2020 годах соответственно. Компании BHP, Rio Tinto, Teck и Vale стремятся достичь этого рубежа к 2050 году. Приблизительно 30 процентов выбросов парниковых газов (ПГ) на руднике 1 и 2 производятся дизельными двигателями, в основном от горнодобывающих транспортных средств, таких как самосвалы, самосвалы. грузовики, погрузчики, бульдозеры, экскаваторы.Сокращение этих выбросов до нуля потребует массового перехода на автомобили с нулевым уровнем выбросов в горнодобывающем секторе.

    В то время как игроки строительства и сельского хозяйства отставали от майнеров, давление на развитие Количество решений с нулевым уровнем выбросов в этих секторах также растет. Для строительных машин правила качества воздуха на уровне города ужесточают правила декарбонизации и направляют клиентов. экскаваторам, погрузчикам, грейдерам и автопогрузчикам с нулевым уровнем выбросов. Учитывая растущую обеспокоенность общества по поводу устойчивости в сельскохозяйственном секторе, давление со стороны потребителей может привести к быстрому переходу на сельскохозяйственные тракторы и опрыскиватели с нулевым уровнем выбросов.

    Четыре технологии трансмиссии с нулевым уровнем выбросов используются для тяжелых дорожных и внедорожных транспортных средств

    Существует четыре технологии с истинным нулевым уровнем выбросов для силовых транспортных средств: электромобили с аккумуляторными батареями (BEV), электромобили на водородных топливных элементах (FCEV), водородные двигатели внутреннего сгорания (h3-ICE) и двигатели внутреннего сгорания на биотопливе или синтопливе (если используется устойчивый источник углерода). Гибридные и газовые двигатели представляют собой промежуточные технологии для сокращения выбросов в среднесрочной перспективе, но сами по себе не могут достичь нулевого уровня выбросов.

    Четыре технологии с нулевым уровнем выбросов имеют разные преимущества и недостатки, что приводит к разным уровням пригодности для разных типов транспортных средств (Иллюстрация 2).

    Приложение 2

    Мы стремимся предоставить людям с ограниченными возможностями равный доступ к нашему сайту. Если вам нужна информация об этом контенте, мы будем рады работать с вами. Напишите нам по адресу: [email protected]

    CO 2 Выбросы. Хотя мы называем все четыре технологии нулевыми выбросами, выбросы CO 2 , образующиеся в процессе производства электроэнергии, водорода или синтетического топлива, могут значительно различаться. Хотя BEV являются углеродно-нейтральными, если они заряжаются исключительно от возобновляемых источников энергии, их использование в настоящее время приводит к высоким выбросам углерода при подключении к электросети в большинстве регионов (с учетом высокой углеродоемкости глобальной структуры сетей). Выбросы углерода при производстве водорода также сильно различаются, но их легче контролировать.Например, «зеленый» водород можно производить из 100% солнечной и ветровой энергии в регионах, богатых возобновляемыми источниками энергии, и доставлять его на любую заправочную станцию. Углеродная интенсивность для биотоплива и синтетического топлива зависит от источников биомассы и углерода, соответственно.

    Качество воздуха. В то время как BEV и FCEV не производят никаких выбросов в выхлопной трубе, h3-ICE по-прежнему выделяют оксиды азота (NOx), которые требуют дополнительной обработки, аналогичной таковой для дизельных двигателей (биотопливо и синтопливо выделяют NOx и твердые частицы).Некоторые производители двигателей h3-ICE утверждают, что условия эксплуатации двигателя допускают гораздо меньшее образование NOx, чем у дизельных двигателей, и, таким образом, могут считаться нулевым воздействием. Будут ли эти двигатели пригодны для использования в городских условиях или для подземных горных работ, будет зависеть от точных уровней выбросов и пороговых значений, разрешенных местными правилами загрязнения воздуха.

    Эффективность. Коэффициент полезного действия «от бака к колесу» колеблется от 75 до 85 процентов для BEV, примерно до 50 процентов для FCEV и от 40 до 45 процентов для двигателей внутреннего сгорания.На уровне от скважины до колеса различия еще более заметны: с учетом потерь при преобразовании при производстве водорода из электричества и синтетического топлива из водорода КПД падает примерно до 35 процентов для FCEV, примерно до 30 процентов для h3-ICE и примерно до 20. процентов для синтетических топлив. Эффективность от скважины к колесу для BEV зависит от того, где производится возобновляемая энергия (поскольку более длинные линии передачи подразумевают более высокие потери) и используется ли быстрая зарядка.

    В целом, показатели эффективности являются лишь приблизительными и различаются в зависимости от характера движения: двигатели внутреннего сгорания становятся более эффективными при более высоких нагрузках (стимул для уменьшения объема двигателя в дизельных транспортных средствах), тогда как FCEV наиболее эффективны при низких нагрузках (мотив для топлива увеличение размера клеток и гибридизация).

    Хотите узнать больше о нашей автомобильной и монтажной практике?

    Капзатраты на трансмиссию. Капитальные затраты следуют обратному порядку эффективности: высокая эффективность BEV влечет за собой дорогие батареи, в то время как менее эффективные водород и биотопливо / синтопливо можно сжигать в простых двигателях внутреннего сгорания, которые в значительной степени идентичны сегодняшним дизельным двигателям — на самом деле, они могут быть даже дешевле, чем дизельные двигатели, из-за более низких требований к очистке выхлопных газов (хотя для разработки технологии необходимы дальнейшие исследования и разработки).Тем временем топливные элементы снова оказываются посередине. Таким образом, оптимальный компромисс между первоначальными капитальными затратами и текущим расходом топлива, который сводит к минимуму совокупную стоимость владения (TCO), значительно отличается в зависимости от типа транспортного средства и варианта использования. Например, размер и вес транспортного средства определяют необходимую трансмиссию и количество потребляемого топлива. Схема движения и маршрут, например время, затраченное на ускорение, определяют эффективность трансмиссии и требуемый запас хода. Не менее важно то, как региональные и местные рыночные условия формируют картину оптимизации совокупной стоимости владения, включая доступность и стоимость электроэнергии, водорода и биотоплива, а также необходимую инфраструктуру для подзарядки или заправки топливом.

    Другие ограничения. Наряду с эффективностью и капитальными затратами, дополнительные факторы играют роль в формировании показателей совокупной стоимости владения для различных силовых агрегатов: аккумуляторным батареям требуется больше времени для перезарядки, чем любому топливу, будь то водород (для топливных элементов или сжигания) или биотопливо и синтетическое топливо. Это может привести к сокращению времени безотказной работы, что может повлиять на совокупную стоимость владения в случаях использования, требующих круглосуточной работы. И батареи, и водород требуют жертв в плане полезной нагрузки и / или места: батареи тяжелые, а топливные элементы и h3-ICE требуют больших баков.Транспортные средства, которые особенно ограничены по полезной нагрузке или пространству, могут поэтому быть ограничены более энергоемким биотопливом или синтетическим топливом.

    Следовательно, h3-ICE может быть жизнеспособным вариантом трансмиссии в различных условиях, включая карьерные самосвалы (Иллюстрация 3).

    Приложение 3

    Мы стремимся предоставить людям с ограниченными возможностями равный доступ к нашему сайту. Если вам нужна информация об этом контенте, мы будем рады работать с вами.Напишите нам по адресу: [email protected]

    Сжигание водорода — это только зарождающееся решение, но оно может занять важную нишу за счет использования устоявшихся технологий и цепочек поставок

    Среди четырех технологий с нулевым уровнем выбросов сжигание водорода все еще находится в зачаточном состоянии, несмотря на (неоднородную) историю, восходящую к двигателю де Риваза 1806 года, который работал на водородно-кислородной смеси. Долгое время водородные двигатели внутреннего сгорания не принимались во внимание, поскольку очень высокая стоимость водорода делала трансмиссию неэкономичной.Однако сегодня некоторые автопроизводители, поставщики компонентов и стартапы пересматривают сжигание водорода как дополнительный компонент своих будущих портфелей силовых агрегатов, наряду с батареями и топливными элементами.

    Несмотря на впечатляющие разработки, аккумуляторы и технология топливных элементов еще не готовы удовлетворить очень высокие требования к мощности, необходимые для суровых условий, которым подвергаются многие тяжелые автомобили (особенно в сегменте внедорожников). Например, карьерные самосвалы требуют мощности в несколько мегаватт, работают круглосуточно и подвергаются сильным вибрациям и тепловыделению, а также загрязнению воздуха.Двигатели внутреннего сгорания соответствовали этим требованиям на протяжении десятилетий, и переход с дизельного топлива на водород может стать прямым способом обезуглероживания этих двигателей с относительно небольшими потребностями в дальнейших технических инновациях.

    Повышение рентабельности аккумуляторных электромобилей за счет снижения затрат на конструкцию

    Даже там, где батареи и топливные элементы технически осуществимы, сжигание водорода может занять ниши. Низкие капитальные затраты на двигатели внутреннего сгорания, снижение цен на водород и относительно высокий КПД, достигаемый с помощью h3-ICE при высоких нагрузках, создают условия, в которых сжигание водорода может быть конкурентоспособным решением для ТШО (Иллюстрация 4).Более того, поскольку двухтопливные двигатели внутреннего сгорания могут работать на водороде, сжиженном природном газе (СПГ) или дизельном топливе (или смесях водород-газ), в зависимости от наличия, они могут помочь декарбонизировать сегменты транспортных средств, где водородные поставки и инфраструктура еще не полностью реализованы. покрытие.

    Приложение 4

    Мы стремимся предоставить людям с ограниченными возможностями равный доступ к нашему сайту. Если вам нужна информация об этом контенте, мы будем рады работать с вами.Напишите нам по адресу: [email protected]

    Помимо этих соображений, h3-ICE предлагают другие преимущества для автомобильных OEM-производителей и поставщиков компонентов: они используют текущие инженерные ноу-хау и рабочие места, опираются на существующие цепочки поставок и производственные мощности в автомобильной промышленности и не создают устойчивости и целостности. проблемы, связанные с поставкой и переработкой драгоценных металлов или редкоземельных элементов.

    Сжигание водорода и водородные топливные элементы дополняют друг друга, поскольку они процветают в одной экосистеме

    Одна из проблем, связанных с h3-ICE, — это их предполагаемая конкуренция с водородными топливными элементами.Однако, хотя есть некоторые приложения, в которых две технологии могут конкурировать, более вероятно, что обе могут помочь увеличить долю водорода в будущей смеси силовых агрегатов и способствовать успеху друг друга.

    Для обоих силовых агрегатов наличие водородных заправочных станций и стоимость водорода на уровне помпа — это ключевые факторы, определяющие успех, и сегодня они вызывают наибольшую озабоченность. Однако обе трансмиссии требуют (в основном) одной и той же инфраструктуры. ; таким образом, каждый автомобиль h3-ICE поможет снизить затраты на водородные топливные элементы, и наоборот.Точно так же в обеих трансмиссиях используется одна и та же технология водородного бака, что составляет значительную долю общих затрат на трансмиссию. Разрешение OEM-производителям и поставщикам резервуаров амортизировать НИОКР и капитальные вложения для большего количества автомобилей поможет снизить кривую затрат для всех водородных автомобилей и поддержит конкурентоспособность обоих решений. Наконец, некоторые игроки активно разрабатывают гибридные решения с водородными двигателями внутреннего сгорания, топливными элементами и батареями, чтобы максимизировать эффективность при переменных профилях нагрузки.

    Достижение нулевых выбросов в транспортных сегментах во всем мире — огромная задача; тем не менее, h3-ICE могут играть свою роль в нескольких приложениях, обеспечивая дополнительные решения для FCEV и BEV.

    Преимущества

    h3-ICE включают меньшие потери полезной нагрузки и занимаемое пространство, более быстрое время заправки по сравнению с грузовиками BEV, более низкие затраты и более высокую устойчивость к нагреву и вибрации. Эти преимущества могут быть полезны для различных сегментов автомобилей, в том числе:

    • легковых автомобилей, таких как эвакуаторы
    • автомобилей средней грузоподъемности, в том числе среднетоннажных автомобилей. и пожарные машины
    • большегрузных автомобилей, таких как автобетононасосы
    • горных и строительных машин, таких как гусеничные бульдозеры, экскаваторы и самосвалы
    • сельскохозяйственных машин, таких как уборочная техника и тракторы

    Несколько игроков, в том числе производители автомобилей, поставщики двигателей, инженерные компании и стартапы h3-ICE, уже исследуют сжигание водорода в рамках своих предложений решений с нулевым уровнем выбросов на дорогах и бездорожье.Важно отметить, что они сравнивают этот потенциал с дополнительными ресурсами НИОКР, необходимыми для разработки технологий, связанных с батареями и топливными элементами. В частности, Китай набирает обороты в отношении h3-ICE. Будущее портфолио силовых агрегатов будет сложным, но добавление к нему автомобилей, работающих на водороде, может окупиться.

    Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

    Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


    Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

    Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

    • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
    • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
    • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
    • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
    • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

    Почему этому сайту требуются файлы cookie?

    Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


    Что сохраняется в файле cookie?

    Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

    Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

    .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *