Главная » Разное » Калорийность водорода

Калорийность водорода


Сравнительная таблица теплотворности некоторых видов топлива

Вид топлива Ед. изм. Удельная теплота сгорания Эквивалент
кКал кВт МДж Природный газ, м3 Диз. топливо, л Мазут, л
Электроэнергия 1 кВт/ч 864 1,0 3,62 0,108 0,084 0,089
Дизельное топливо (солярка) 1 л 10300 11,9 43,12 1,288 - 1,062
Мазут 1 л 9700 11,2 40,61 1,213 0,942 -
Керосин 1 л 10400 12,0 43,50 1,300 1,010 1,072
Нефть 1 л 10500 12,2 44,00 1,313 1,019 1,082
Бензин 1 л 10500 12,2 44,00 1,313 1,019 1,082
Газ природный 1 м 3 8000 9,3 33,50 - 0,777 0,825
Газ сжиженный 1 кг 10800 12,5 45,20 1,350 1,049 1,113
Метан 1 м 3 11950 13,8 50,03 1,494 1,160 1,232
Пропан 1 м 3 10885 12,6 45,57 1,361 1,057 1,122
Этилен 1 м 3 11470 13,3 48,02 1,434 1,114 1,182
Водород 1 м 3 28700 33,2 120,00 3,588 2,786 2,959
Уголь каменный (W=10%) 1 кг 6450 7,5 27,00 0,806 0,626 0,665
Уголь бурый (W=30…40%) 1 кг 3100 3,6 12,98 0,388 0,301 0,320
Уголь-антрацит 1 кг 6700 7,8 28,05 0,838 0,650 0,691
Уголь древесный 1 кг 6510 7,5 27,26 0,814 0,632 0,671
Торф (W=40%) 1 кг 2900 3,6 12,10 0,363 0,282 0,299
Торф брикеты (W=15%) 1 кг 4200 4,9 17,58 0,525 0,408 0,433
Торф крошка 1 кг 2590 3,0 10,84 0,324 0,251 0,267
Пеллета древесная 1 кг 4100 4,7 17,17 0,513 0,398 0,423
Пеллета из соломы 1 кг 3465 4,0 14,51 0,433 0,336 0,357
Пеллета из лузги подсолнуха 1 кг 4320 5,0 18,09 0,540 0,419 0,445
Свежесрубленная древесина (W=50...60%) 1 кг 1940 2,2 8,12 0,243 0,188 0,200
Высушенная древесина (W=20%) 1 кг 3400 3,9 14,24 0,425 0,330 0,351
Щепа 1 кг 2610 3,0 10,93 0,326 0,253 0,269
Опилки 1 кг 2000 2,3 8,37 0,250 0,194 0,206
Бумага 1 кг 3970 4,6 16,62 0,496 0,385 0,409
Лузга подсолнуха, сои 1 кг 4060 4,7 17,00 0,508 0,394 0,419
Лузга рисовая 1 кг 3180 3,7 13,31 0,398 0,309 0,328
Костра льняная 1 кг 3805 4,4 15,93 0,477 0,369 0,392
Кукуруза-початок (W>10%) 1 кг 3500 4,0 14,65 0,438 0,340 0,361
Солома 1 кг 3750 4,3 15,70 0,469 0,364 0,387
Хлопчатник-стебли 1 кг 3470 4,0 14,53 0,434 0,337 0,358
Виноградная лоза (W=20%) 1 кг 3345 3,9 14,00 0,418 0,325 0,345

Что такое Водородное топливо - Техническая Библиотека Neftegaz.RU

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 ( LH2).

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 - Н₂. 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 Н₂ 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.

Таблица значений удельной теплоты сгорания топлива

 

 

Топлива. Высшая теплотворная способность - таблица. (Удельная теплота сгорания). 

Приведенные в этой таблице величины соответствуют высшей теплотворной способности для сгорания при постянном давлении 1 bar и температуре 0oC. 

Высшая теплотворная способность (Higher Calorific Value = Gross Calorific Value = GCV) – количество теплоты, выделяемой при полном сгорании топлива, охлаждении продуктов сгорания до температуры топлива и конденсации водяного пара, образовавшегося при окислении водорода, входящего в состав топлива.

Низшая теплотворная способность (Lower Calorific Value = Net Calorific Value = NCV) – количество теплоты, выделяемой при полном сгорании топлива без конденсации водяного пара.

 Топлива, массовая характеристика:

Высшая теплотворная способность

кДж/кг

ккал/кг

БТЕ/фунт, Btu/lb

Ацетон,Acetone

29 000

6 900

12 500

Бензин, Gasoline, Petrol

47 300

11 250

20 400

Бутан, Butane C4H10

49 500

11 800

20 900

Водород, Hydrogen

141 800

33 800

61 000

Газойль, Gas oil

38 000

9 050

16 400

Глицерин, Glycerin

19 000

4 550

8 150

Гудрон, Битум, Tar

36 000

8 600

15 450

Дизтопливо, дизельное топливо, Diesel

44 800

10 700

19 300

Дерево сухое, Wood (dry)

14 400 - 17 400

3 450 - 4 150

6 200 - 7 500

Керосин, Kerosene

35,000

8,350

15 400

Кокс, Coke

28 000 - 31 000

6 650-7 400

12 000 - 13 500

Мазут, Heavy fuel oil

41 200

9 800

17 700

Метан, Methane

55 550

13 250

23 900

Порох, Gun powder

4 000

950

1 700

Пропан, Propane

50 350

12 000

21 650

Растительные масла, Oils vegetable

39 000 - 48,000

9 300 - 11 450

16 750 - 20 650

Скипидар, Turpentine

44 000

10 500

18 900

Спирт, Alcohol, 96% , Ethanol

30 000

7 150

12 900

Сырая нефть, Petroleum

43 000

10 250

18 500

Торф, Peat

13 800 - 20 500

3 300 - 4 900

5 500 - 8 800

Уголь-антрацит, Anthracite

32 500 - 34 000

7 750-8 100

14 000 - 14 500

Уголь битуминозный (жирный), Bituminous coal

17 000 - 23 250

4 050-5 500

7 300 - 10 000

Уголь древесный, Charcoal

29 600

7 050

12 800

Уголь каменный, Coal

15 000 - 27 000

3 550-6 450

8 000 - 14 000

Уголь бурый, лигнит, Lignite

16 300

3 900

7 000

Уголь -полуантрацит, Semi anthracite

26 700 - 32 500

6 350 - 7 750

11 500 - 14 000

Эфир, Ether

43 000

10 250

18 500

Газы, объемная характеристика:

кДж/м3

ккал/м3

БТЕ/фут3, Btu/ft3

Ацетилен, Acetylene

56 000

13 350

728

Бутан, Butane C4H10

133 000

31 750

1 700

Водород, Hydrogen

13 000

3 100

170

Метан, Methane CH4

39 800

9 500

520

Природный газ, Natural gas

35 000- 43 000

8 350-10 250

455 - 560

Пропан, Propane C3H8

101 000

24 100

1 310

цыкайкпцуп

 

Водород Теплотворная способность - Энциклопедия по машиностроению XXL

Величиной, до известной степени комплексно характеризующей состав горючей массы топлива, служит его теплотворная способность (Qe или Qk). Вытеснение кислорода углеродом, т. е. элементом, при сгорании которого выделяется тепло, приводит к тому, что величина Q постепенно возрастает (фиг. 9) с увеличением возраста топлива, однако лишь до тех пор, пока (у антрацитов) дальнейшее обуглероживание не вызывает уменьшения содержания в топливе водорода, теплотворная способность которого значительно больше теплотворной способности углерода.  [c.21]
От газифицирующих агентов и условий организации процесса зависит чудесность превращения угля, а с ним и судьба полученного газа. Например, при осуществлении газификации воздухом и паром получается горючий или, как его еще называют, генераторный газ, представляющий собой смесь оксида углерода, известного также под названием угарный газ, водорода, азота и небольшого количества метана. Не отличаясь высокой теплотворной способностью, он используется в основном для различных промышленных предприятий. Вот повышение давления в аппарате при реализации того же процесса способствует увеличению доли метана в смеси, а с ним и теплоты сгорания, и уже этот горючий газ получает пропуск на энергетические предприятия. Газификация кислородом и па-  [c.196]

Применение водорода в качестве топлива имело бы большие преимущества. Так, водород обладает высокой теплотворной способностью — 28 806 ккал/кг (бензин 10,022 ккал/кг) для передачи водорода на расстояние можно использовать существующие газопроводы. При работе самолета Боинг-747 на водородном топливе стартовая масса его уменьшается, а дальность полета возрастает.  [c.324]

Теплотворная способность, высшая теплотворность—теплотворность топлива при условии сгорания водорода (как составной части топлива) с образованием жидкой воды.  [c.371]

Низшая теплотворная способность — теплотворность топлива ири условии сгорания водорода (как составной части топлива) в перегретый водяной пар.  [c.371]

Низшая, или рабочая, теплотворная способность равна высшей за вычетом теплоты парообразования воды, образующейся в продуктах сгорания в результате окисления водорода топлива, а также воды, содержащейся в топливе и вследствие влажности воздуха.  [c.8]

Отходящий газ доменных печей использовали в качестве топлива. В состав колошникового газа входят окись углерода и водород. Его теплотворная способность достигает 900 ккал/м и более.  [c.111]

За высшую теплотворную способность топлива принимают все тепло, выделяемое 1 кг топлива при его сгорании, при этом пары, образовавшиеся от испарения влаги и от соединения водорода топлива с кислородом, охлаждаются и образуют воду. Высшую теплотворную способность топлива определяют путем сжигания приготовленной пробы топлива в особом приборе, называемом калориметрической бомбой.  [c.7]


Хотя теплотворная способность метанола в 2,4 раза ниже, чем природного газа, но при сжигании метанола в воздухе могут быть получены все же несколько более высокие температуры дымовых газов, чем при сжигании природного газа. Объясняется это тем, что для сжигания метанола требуется в 2 7 раза меньше воздуха (и балласта в виде азота), чем для природного газа. Метанол в отличие от продуктов переработки нефти — бензина, керосина, мазута и т. п.— имеет стабильный состав (без фракций), что обеспечивает возможность полного его сжигания (без остатков в виде сажи, кокса и золы). Метанол имеет также хорошую текучесть при низких (до 240 К) и нормальной температурах и как жидкое топливо может транспортироваться на большие расстояния с относительно небольшими энергетическими затратами. При термическом же разложении метанола при высоких температурах образуется смесь водорода и окиси углерода — готовая высоконагретая восстановительная среда для многих технологических процессов металлургии и химии. Однако приемлемая стоимость метанола может быть получена при применении энерготехнологического способа производства на основе высокотемпературной газификации углей. Вопросам газификации каменных углей уделяется большое внимание уже давно. Разработано много различных методов термической переработки горючих ископаемых получение горючего газа в результате паровоздушной продувки слоя раскаленного угля, получение водяного газа при парокислородной продувке (процесс Лурги), полукоксование и т. п. Но во всех известных методах горючие газы получаются с относительно низкой теплотворной способностью (4000—8000 кДж/нм ), главным образом из-за содержания больших количеств азота (до 70% по объему)  [c.112]

Наиболее ценное углеводородное топливо — природный газ и легкое жидкое топливо (бензин и т. п.), которые содержат в своей рабочей массе практически только два элемента (углерод и водород) и обладают наибольшей теплотворной способностью.  [c.72]

Строительные материалы. Определение теплотворной способности Пластические массы. Определение огнестойкости отвержденных самозатухающих реактопластов Пластические массы. Определение термостойкости поливинилхлорида, его сополимеров и композиций на его основе по выделению хлористого водорода  [c.345]

Подсчитывая далее теплотворную способность водорода, содержащегося в твердом и жидком топливе, и клетчатки, с учетом образования при их сгорании не воды, а водяного нара, Менделеев получил значение низшей теплотворной способности для водорода 24 500 ккал/кг и для клетчатки 3857 ккал/кг. Тогда на одну часть кислорода, израсходованного для горения, выделяется при сжигании углерода 3034 ккал, клетчатки 3257 ккал и водорода 3065 ккал. В среднем Менделеев считал возможным принять при сжигании твердого топлива и образовании газообразных продуктов горения выделение тепла на 1 кг кислорода равным 3150 ккал. В пересчете на воздух это составляет около 700 ккал на 1 кг или около 900 ккал на 1 нм .  [c.22]

Закономерность этого положения отчетливо выявляется при сопоставлении отношений теплотворных способностей и объемов продуктов горения углерода и водорода в теоретически необходимом количестве воздуха (табл. 2).  [c.24]

Топливо Теплотворная способность Q углерода Qh водорода Объем продуктов горения V V углерода V водорода  [c.24]

Теплотворные способности графита и молекулярного водорода достаточно точно установлены и положены б основу ряда термохимических расчетов [10, 16].  [c.29]

Теплотворные способности углеводородов и эквивалентных им количеств углерода и водорода  [c.30]


Отношение теплоты образования углерода и водорода нз метана к сумме теплотворных способностей углерода и водорода, образующихся из метана, равно  [c.31]

Теплотворная способность метана на 8,5% ниже теплосодержания образуюш ихся из него углерода и водорода.  [c.31]

Наиболее низкой жаропроизводительностью обладает первый член гомологического ряда алканов — метан его теплотворная способность наиболее низка но сравнению с тенлопроизводительностью эквивалентного количества графита и молекулярного водорода (теплотворная способность метана ниже на 8,5% указанной теплонроизводительпости).  [c.29]

Расчет теплотворной способности горючей части топлива. При сгорании С кг углерода выделяется 0,88-3458 = 3043 (0,88-8100 = 7128 ккал) на1кг 1кГ) топлива. При сгорании Н кг водорода выделяется 0,12-12210 = = 1465 кдж (0,12-28 600 = 3432 ккал) на 1 кг (I кГ) топлива. В сумме в результате сгорания всей горючей массы топлива выделяется 3043 f 1465 = 4508 кдж (7128 + 3432 = 10 Ьтккал).  [c.123]

Калориметрическая бомба измеряет изменение внутренней энергии с другой стороны, проточный калориметр измеряет изменение энтальпии. Если бы конечные состояния двух процессов были идентичны, то указанное различие в измеренных величинах на единицу массы топлива было бы незначительным. Конечные состояния отличаются в основном тем, что концентрация воды в продуктах сгорания является значительно большей для калориметрической бомбы, чем для проточного калориметра, благодаря присутствию азота в последнем. Если топливо содержит много водорода, в калориметрической бомбе образуется жидкая вода, которая отсутствует в проточном калориметре. По этой причине, если определять величину теплотворной способности в калориметрической бомбе, она оказывается большей, чем при определении в потоке, и называется выс1ней теплотворной способностью. Разность между двумя значениями теплотворной способности часто бывает довольно значительной.  [c.144]

В связи с этим обучаемым необходимо дать общие понятия об устройстве коксовых печей, рассказать, что они состоят из ряда узких камер, выполненных из огнеупорного (динасового, шамотного) кирпича. Камеры заполняются каменным углем и плотно закрываются, чтобы не было доступа воздуха. Преподаватель показывает и объясняет схему получения коксового газа. Он говорит, что через каждые 13—14 часов, в течение которых происходит процесс выделения из топлива летучих горючих газов, кокс удаляется из камер для заполнения их свежим топливом. Полученный газ охлаждается, поступает на очистку от угольной пыли, смолы, нафталина, аммиака, сернистых соединений и осушается от влаги. Очищенный сухой газ передается в газовые сети к по пути одоризируется (придается ему запах). Таким образом, получается коксовый газ, выход которого из 1 г каменного угля составляет 300—350 м с низшей теплотворной способнрстью 4300 ккал нм и удельным весом 0,5. Предел взрываемости коксового газа от 5 до 35% объема воздуха. В состав горючей части коксового газа входит водорода 57% с низшей -теплотворной способ1 остью 2500 ккал нм метана 23% с низшей теплотворной способностью от 8000 ккал нм и выше окиси углерода 77о с низ-  [c.54]

В состав-газа подземной газификации подмосковного угля "входит водорода 15,1%, окиси, углерода 10%,метана 1,8%, углекислого газа 9,5% и азота 63,6%. Теплотворная способность 860 kk uIhm удельный вес 1,15 пределы взрываемости от 5 до 58%. Станции подземной газификации угля работают в Донбассе и Подмосковном бассейне.  [c.56]

Примерный состав московского емешанного газа (в %) метана 69,8 водорода 19,8 этана 3 окиси углерода 2,5 тяжелых углеводородов 0,9 азота 2,7 углекислого газа 1 кислорода 0,3. Теплотворная способность этого газа 7100—7200 ккал м , удельный вес егЬ 0,702.  [c.59]

На фиг. 1-5 и 1-6 можно видеть, из каких элементов состоит горючая Mai a ископаемых топлив. Из пяти указанных на схемах составных элементов топлива лишь углерод, водород и сера выде тяют тепло дри сгорании. Практически, однако, на теплотворную способность твердых топлив  [c.24]

ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ (теплотворная способность, калорийность)— кол-во теплоты, выделяющееся при полном сюрании топлива измеряется в джоулях или калориях. Т. с., отнесённая к единице массы или объема топлива, наз. уд. Т. с. для её измерения пользуются методами калориметрии. Т. с, определяется хим. составом топлива. Содержащиеся в топливе хим. элементы обозначаются принятыми символами — С, Н, О, N, S, а зола н вода — символами А и W соответственно. Если вода, содержащаяся в топливе и образовавшаяся при сгорании водорода топлива, присутствует в конечных продуктах сгорания в виде жидкости, то кол-во выделившейся теплоты характеризует высшую Т- с. (2в) если же вода присутствует в виде пара, то Т. с. наз. низшей (QJ. Р4изшая и высшая Т. с. связаны соотношением Q, Q +A(W + 9H), где = 25 кДж/кг (6 ккал/кг).  [c.81]

В результате протекания указанных реакций получается смесь следующих газов окиси углерода СО, водорода Нд, метана СН4, азота N3углекислого газа Og. Из этих газов горючими являются окись углерода, водород и метан, повышенное содержание которых в генераторном газе увеличивает его теплотворную способность.  [c.421]

Теплотворная способность для угля+50вкал/кг, для торфа+70ккал/кг. Содержание влаги в рабочем топливе для угля +0,25%, для торфа + 1,5%. Содержание углерода в горючей массе +0,2% содержание водорода +2% но отношению к среднему для данного сорта топлива содержанию углерода и водорода в горючей массе.  [c.18]

Сопоставляя теплотворные способности углерода (8100 ккал/кг), клетчатки (4190 ккал1кг) и водорода (34 500 ккал/кг) с расходом воздуха (2,67 кг/кг углерода, 1,185 кг/кг клетчатки и 8 кгЫг водорода), Менделеев отмечает, что на 1 часть кислорода в нервом случае выделяется 3034, во втором 3536 и в третьем 4312 единиц тепла, и на первый взгляд кажется, что никакой пропорциональности Q с количеством кислорода допустить нельзя .  [c.22]


Однако Менделеев отвергает правомерность принимать для водорода, содержаш,егося в твердом и жидком топливе, теплотворную способность равной 34 500 ккал1кг, как это принято в формулах Дюлонга и других, справедливо указывая, что данная теплотворная способность верна лишь для газообразного молекулярного водорода.  [c.22]

Для высшей теплотворной способнсти водорода, входящего в состав твердого и жидкого топлива, Менделеев считал правильным принять значение не 34 500, а 30 ООО ккал/кг, и ввел его в свою формулу для подсчета теплотворной способности топлива, доложенную в 1897 г. Русскому физи-ко-химическому обществу и получившую широкое применение в теплотехнике [9]  [c.22]

Таким образом, несмотря на большое различие в теплотворной способности, жаронропзводительпости углерода п газообразного молекулярного водорода весьма близки.  [c.24]

Теилотворная способность 1 кг-атома углерода превышает теплотворную способность (низшую) 1 кг мол газообразного водорода в 1,64 раза, а теоретический объем продуктов горения 1 кг-атома углерода почти во столько же раз превышает объем продуктов горения 1 кг-мол водорода (в 1,65 раза). Отсюда ясно, что с учетом близкой объемной теплоемкости продуктов горения углерода и водорода в теоретически необходимом объеме воздуха жаропроизводительности углерода и газообразного водо-  [c.24]

Д. И. Менделеев подсчитал жаропроизводительность водорода с высшей теплотворной способностью 30 ООО кпал кг и указал, что если бы суш,ествовал тверды водород Q около 30 ООО), то и он, сгорая в воздухе, дал бы низшую температуру, чем уголь%.  [c.25]

Есл бы высшая теплотворная способность водорода равнялась 30 ООО ккалЫг и низшая теплотворная способность 24 600 ккалЫг, то жаропроизводительность водорода, подсчитанная по современным значениям теплоемкости продуктов горения, равнялась бы около 1945° при сжигании в сухом воздухе i —1915° при сжигании во влажнод воздухе, содерн ащем 1% Н2О (по весу).  [c.25]

На теплотворной способности и жаропроизводительности углеводородов сильно сказывается энергия разрыва связей между атомами в молекуле. Теплота разрыва связи Н — Не образованием атомарного водорода около 103 тыс. ккал1молъ.  [c.27]

Поскольку число грамм-атомов углерода и водорода, получаемых при разрыве связей в трех молях этилена и одном моле циклогексана, одинаково, теплотворная способность трех молей этилена долясна быть выше теплотворной способности одного моля циклогексана на число килокалорий, соответствуюп],ее разности в теплотах разрыва связей между атомами в одном моле циклогексана и трех молях этилена.  [c.28]

Жаронроизводительность алканов с увеличением их молекулярного веса возрастает, так как различие в теплотворных способностях углеводородов и теплосодержаниях эквивалентных количеств графита и водорода уменьшается.  [c.29]

М е т а н. Низшая теплотворная способность метана 191,8 тыс. ккал1молъ. Теплосодержание 1 кг-атома углерода и 2 кг-мол водорода, эквивалентных 1 кг-мол метана, 94 + 2-57,8 = 209,6 тыс./ккйд. Отсюда  [c.30]

Углеводороды Формула углеводо- родов Низшая теплотворная способность углеводородов Q углево-дор., тыс. пг,ал моль Сумма теплотворных способностей эквивалентного углеводороду количества углерода и водорода Н,, тыс. углеводорода Q углево-дор.— -2 Q +h3, ТЫС. ккал/моль углеводо- рода %  [c.30]

Удельная теплота сгорания топлива и горючих материалов

В таблицах представлена массовая удельная теплота сгорания топлива (жидкого, твердого и газообразного) и некоторых других горючих материалов. Рассмотрено такое топливо, как: уголь, дрова, кокс, торф, керосин, нефть, спирт, бензин, природный газ и т. д.

При экзотермической реакции окисления топлива его химическая энергия переходит в тепловую с выделением определенного количества теплоты. Образующуюся тепловую энергию принято называть теплотой сгорания топлива. Она зависит от его химического состава, влажности и является основным показателем топлива. Теплота сгорания топлива, отнесенная на 1 кг массы или 1 м3 объема образует массовую или объемную удельную теплоты сгорания.

Удельной теплотой сгорания топлива называется количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы или объема твердого, жидкого или газообразного топлива. В Международной системе единиц эта величина измеряется в Дж/кг или Дж/м3.

Удельную теплоту сгорания топлива можно определить экспериментально или вычислить аналитически. Экспериментальные методы определения теплотворной способности основаны на практическом измерении количества теплоты, выделившейся при горении топлива, например в калориметре с термостатом и бомбой для сжигания. Для топлива с известным химическим составом удельную теплоту сгорания можно определить по формуле Менделеева.

Различают высшую и низшую удельные теплоты сгорания. Высшая теплота сгорания равна максимальному количеству теплоты, выделяемому при полном сгорании топлива, с учетом тепла затраченного на испарение влаги, содержащейся в топливе. Низшая теплота сгорания меньше значения высшей на величину теплоты конденсации водяного пара, который образуется из влаги топлива и водорода органической массы, превращающегося при горении в воду.

Для определения показателей качества топлива, а также в теплотехнических расчетах обычно используют низшую удельную теплоту сгорания, которая является важнейшей тепловой и эксплуатационной характеристикой топлива и приведена в таблицах ниже.

Удельная теплота сгорания твердого топлива (угля, дров, торфа, кокса)

В таблице представлены значения удельной теплоты сгорания сухого твердого топлива в размерности МДж/кг. Топливо в таблице расположено по названию в алфавитном порядке.

Наибольшей теплотворной способностью из рассмотренных твердых видов топлива обладает коксующийся уголь — его удельная теплота сгорания равна 36,3 МДж/кг (или в единицах СИ 36,3·106 Дж/кг). Кроме того высокая теплота сгорания свойственна каменному углю, антрациту, древесному углю и углю бурому.

К топливам с низкой энергоэффективностью можно отнести древесину, дрова, порох, фрезторф, горючие сланцы. Например, удельная теплота сгорания дров составляет 8,4…12,5, а пороха — всего 3,8 МДж/кг.

Удельная теплота сгорания твердого топлива (угля, дров, торфа, кокса)
Топливо Удельная теплота сгорания, МДж/кг
Антрацит 26,8…34,8
Древесные гранулы (пиллеты) 18,5
Дрова сухие 8,4…11
Дрова березовые сухие 12,5
Кокс газовый 26,9
Кокс доменный 30,4
Полукокс 27,3
Порох 3,8
Сланец 4,6…9
Сланцы горючие 5,9…15
Твердое ракетное топливо 4,2…10,5
Торф 16,3
Торф волокнистый 21,8
Торф фрезерный 8,1…10,5
Торфяная крошка 10,8
Уголь бурый 13…25
Уголь бурый (брикеты) 20,2
Уголь бурый (пыль) 25
Уголь донецкий 19,7…24
Уголь древесный 31,5…34,4
Уголь каменный 27
Уголь коксующийся 36,3
Уголь кузнецкий 22,8…25,1
Уголь челябинский 12,8
Уголь экибастузский 16,7
Фрезторф 8,1
Шлак 27,5

Удельная теплота сгорания жидкого топлива (спирта, бензина, керосина, нефти)

Приведена таблица удельной теплоты сгорания жидкого топлива и некоторых других органических жидкостей. Следует отметить, что высоким тепловыделением при сгорании отличаются такие топлива, как: бензин, авиационный керосин, дизельное топливо и нефть.

Удельная теплота сгорания спирта и ацетона существенно ниже традиционных моторных топлив. Кроме того, относительно низким значением теплоты сгорания обладает жидкое ракетное топливо и этиленгликоль — при полном сгорании 1 кг этих углеводородов выделится количество теплоты, равное 9,2 и 13,3 МДж, соответственно.

Удельная теплота сгорания жидкого топлива (спирта, бензина, керосина, нефти)
Топливо Удельная теплота сгорания, МДж/кг
Ацетон 31,4
Бензин А-72 (ГОСТ 2084-67) 44,2
Бензин авиационный Б-70 (ГОСТ 1012-72) 44,1
Бензин АИ-93 (ГОСТ 2084-67) 43,6
Бензол 40,6
Дизельное топливо зимнее (ГОСТ 305-73) 43,6
Дизельное топливо летнее (ГОСТ 305-73) 43,4
Жидкое ракетное топливо (керосин + жидкий кислород) 9,2
Керосин авиационный 42,9
Керосин осветительный (ГОСТ 4753-68) 43,7
Ксилол 43,2
Мазут высокосернистый 39
Мазут малосернистый 40,5
Мазут низкосернистый 41,7
Мазут сернистый 39,6
Метиловый спирт (метанол) 21,1
н-Бутиловый спирт 36,8
Нефть 43,5…46
Нефть метановая 21,5
Толуол 40,9
Уайт-спирит (ГОСТ 313452) 44
Этиленгликоль 13,3
Этиловый спирт (этанол) 30,6

Удельная теплота сгорания газообразного топлива и горючих газов

Представлена таблица удельной теплоты сгорания газообразного топлива и некоторых других горючих газов в размерности МДж/кг. Из рассмотренных газов наибольшей массовой удельной теплотой сгорания отличается водород. При полном сгорании одного килограмма этого газа выделится 119,83 МДж тепла. Также высокой теплотворной способностью обладает такое топливо, как природный газ — удельная теплота сгорания природного газа равна 41…49 МДж/кг (у чистого метана 50 МДж/кг).

Удельная теплота сгорания газообразного топлива и горючих газов (водород, природный газ, метан)
Топливо Удельная теплота сгорания, МДж/кг
1-Бутен 45,3
Аммиак 18,6
Ацетилен 48,3
Водород 119,83
Водород, смесь с метаном (50% H2 и 50% CH4 по массе) 85
Водород, смесь с метаном и оксидом углерода (33-33-33% по массе) 60
Водород, смесь с оксидом углерода (50% H2 50% CO2 по массе) 65
Газ доменных печей 3
Газ коксовых печей 38,5
Газ сжиженный углеводородный СУГ (пропан-бутан) 43,8
Изобутан 45,6
Метан 50
н-Бутан 45,7
н-Гексан 45,1
н-Пентан 45,4
Попутный газ 40,6…43
Природный газ 41…49
Пропадиен 46,3
Пропан 46,3
Пропилен 45,8
Пропилен, смесь с водородом и окисью углерода (90%-9%-1% по массе) 52
Этан 47,5
Этилен 47,2

Удельная теплота сгорания некоторых горючих материалов

Приведена таблица удельной теплоты сгорания некоторых горючих материалов (стройматериалы, древесина, бумага, пластик, солома, резина и т. д.). Следует отметить материалы с высоким тепловыделением при сгорании. К таким материалам можно отнести: каучук различных типов, пенополистирол (пенопласт), полипропилен и полиэтилен.

Удельная теплота сгорания некоторых горючих материалов
Топливо Удельная теплота сгорания, МДж/кг
Бумага 17,6
Дерматин 21,5
Древесина (бруски влажностью 14 %) 13,8
Древесина в штабелях 16,6
Древесина дубовая 19,9
Древесина еловая 20,3
Древесина зеленая 6,3
Древесина сосновая 20,9
Капрон 31,1
Карболитовые изделия 26,9
Картон 16,5
Каучук бутадиенстирольный СКС-30АР 43,9
Каучук натуральный 44,8
Каучук синтетический 40,2
Каучук СКС 43,9
Каучук хлоропреновый 28
Линолеум поливинилхлоридный 14,3
Линолеум поливинилхлоридный двухслойный 17,9
Линолеум поливинилхлоридный на войлочной основе 16,6
Линолеум поливинилхлоридный на теплой основе 17,6
Линолеум поливинилхлоридный на тканевой основе 20,3
Линолеум резиновый (релин) 27,2
Парафин твердый 11,2
Пенопласт ПХВ-1 19,5
Пенопласт ФС-7 24,4
Пенопласт ФФ 31,4
Пенополистирол ПСБ-С 41,6
Пенополиуретан 24,3
Плита древесноволокнистая 20,9
Поливинилхлорид (ПВХ) 20,7
Поликарбонат 31
Полипропилен 45,7
Полистирол 39
Полиэтилен высокого давления 47
Полиэтилен низкого давления 46,7
Резина 33,5
Рубероид 29,5
Сажа канальная 28,3
Сено 16,7
Солома 17
Стекло органическое (оргстекло) 27,7
Текстолит 20,9
Толь 16
Тротил 15
Хлопок 17,5
Целлюлоза 16,4
Шерсть и шерстяные волокна 23,1

Источники:

  1. Абрютин А. А. и др. Тепловой расчет котлов. Нормативный метод.
  2. ГОСТ 147-2013 Топливо твердое минеральное. Определение высшей теплоты сгорания и расчет низшей теплоты сгорания.
  3. ГОСТ 21261-91 Нефтепродукты. Метод определения высшей теплоты сгорания и вычисление низшей теплоты сгорания.
  4. ГОСТ 22667-82 Газы горючие природные. Расчетный метод определения теплоты сгорания, относительной плотности и числа Воббе.
  5. ГОСТ 31369-2008 Газ природный. Вычисление теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе на основе компонентного состава.
  6. Земский Г. Т. Огнеопасные свойства неорганических и органических материалов: справочник М.: ВНИИПО, 2016 — 970 с.

Комаров С.Г. Паро-водородно-кислородный генератор с поршневым двигателем

Библиографическая ссылка на статью:
// Современная техника и технологии. 2012. № 5 [Электронный ресурс]. URL: https://technology.snauka.ru/2012/05/822 (дата обращения: 25.01.2022).


Комаров С. Г., независимый исследователь, электромеханик

 

 

Представлен анализ конструкции и работы паро-водородно-кислородного генератора, создающего из воды в требуемом количестве на текущий момент времени паро-водородно-кислородное топливо, работающего в совокупности с поршневым двигателем, который, в свою очередь, преобразует реакцию между водородом и кислородом в присутствии водяного пара в пределе мягкой взрываемости в быстрый подъём температуры, с расширением после взрыва (сгорания топлива) перегретого пара в рабочей камере цилиндра двигателя, обеспечивающего возвратно-поступательное движение поршня и механическую работу вращающегося коленчатого вала.

На рисунке представлена упрощённая блок-схема паро-водородно-кислородного генератора с поршневым двигателем.


Паро-водородно-кислородный генератор состоит из первичного образователя пара в составе ёмкости ПОП под воду В и пар П, соединённой токоизолирующими трубопроводами ИТ через управляемые вентили В2 и В3 с электропроводным трубчатым индуктором ТИ (соленоидом), который запитывается током повышенной частоты (порядка 10 кгц и более) от специального управляемого генератора Г, работающего от аккумуляторной батареи; вертикального перегревателя пара ВПП, нагревателя (догревателя) первичного пара НП, отделителя гремучего газа ОГГ от пара и смесителя гремучего газа с паром СМ.

В камере вертикального перегревателя пара ВПП наиболее эффективно применим индукционный электронагреватель (трубчатый индуктор ТИ), действующий путём возбуждения тока в платинированных по поверхности железных стержнях (с температурой плавления 1565 градусов Цельсия), помещённых в изолирующую специальную керамику (типа карборунда, с температурой плавления 2700 градусов) с отверстиями, как для размещения в них железных стержней, так и для прохождения и перегрева пара до температуры в пределе 1100 – 1450 градусов, и размещения в них мелкораздробленного палладия, насыщенного в промышленных условиях водородом (температура плавления платины 1769 градусов, палладия 1552 градуса).

Трубчатый индуктор ТИ (из металла) исходно заполнен водой из ёмкости ПОП первичного образователя пара через изолирующие трубопроводы ИТ и дистанционно управляемые вентили В2, В3. Одна часть ёмкости ПОП первичного образователя пара заполнена водой В, а другая её часть – образуемым первичным паром П.

Выход вертикального перегревателя пара ВПП образует трубчатый змеевик З в ёмкости нагревателя (догревателя) пара НП, в свою очередь соединённой входом через вентиль В4 с выходом ёмкости ПОП первичного образователя пара, а выходом – с входом вертикального перегревателя пара ВПП.

Выход змеевика З соединён через высокое колено (на рисунке не показано) с входом отделителя гремучего газа ОГГ от пара (чтобы вода отделителя гремучего газа ОГГ не попадала в змеевик З). В ёмкость отделителя гремучего газа ОГГ от пара через вентиль В1 принудительно подаётся вода в режиме периодической подпитки и обновления (обратная связь не показана). Образующийся в ёмкости отделителя гремучего газа ОГГ от пара гремучий газ поступает через первую форсунку в смеситель СМ, в который через вторую форсунку поступает через вентиль В5 также пар с выхода ёмкости ПОП первичного образователя пара. Выход смесителя СМ гремучего газа с паром соединён через предохранительный клапан ПК с вводом подачи горючей смеси в поршневой двигатель ПД.

Ёмкость ПОП первичного образователя пара в части заполнения водой соединена с плунжерной подачей ПП воды через свой клапан для обеспечения постоянного уровня воды в ёмкости ПОП.

Ёмкости отделителя гремучего газа ОГГ от пара и ПОП первичного образователя пара снабжены датчиками контроля должного в них количества воды, которые соединены с входами специализированного микропроцессора, обеспечивающего по заданной программе подпитку этих ёмкостей водой через управляемый вентиль В1 и клапан плунжерной подачи воды ПП. Теплоизоляция паро-водородно-кислородного генератора на рисунке не показана.

Работает паро-водородно-кислородный генератор следующим образом.

По правилу сообщающихся сосудов вода из ёмкости ПОП поступает в трубчатый индуктор ТИ. Включается генератор Г, который трубчатым индуктором ТИ превращает воду в пар, поступающий в паровую часть ёмкости ПОП первичного образователя пара, обеспечивая необходимое давление пара. Под давлением пар далее поступает через вентиль В4 в ёмкость догревателя пара НП и через вентиль В5 во вторую форсунку смесителя СМ. С ёмкости догревателя пара НП пар поступает на ввод вертикального перегревателя пара ВПП до температуры порядка 1100 – 1450 градусов Цельсия. Перегретый пар в вертикальном перегревателе пара ВПП с продуктами диссоциации пара поступает в змеевик З, обеспечивающий с одной стороны подогрев первичного пара в ёмкости НП, а с другой стороны охлаждение пара вертикального перегревателя пара ВПП до температуры ниже 1000 градусов Цельсия, при которой прекращается образование продуктов диссоциации пара. Далее пар с продуктами диссоциации проходит в ёмкость с водой отделителя гремучего газа ОГГ от пара, а отделённый гремучий газ поступает в первую форсунку смесителя См гремучего газа с первичным паром, поступающим во вторую форсунку смесителя СМ.

Стартёром раскручивается коленчатый вал поршневого двигателя ПД. При этом поршневой двигатель ПД работает как поршневой насос (без подачи напряжения зажигания), чем самым обеспечивается удаление из паро-водородно-кислородного генератора и поршневого двигателя ПД атмосферного воздуха. После чего в двигатель ПД начинает поступать от смесителя СМ через предохранительный клапан ПК паро-водородно-кислородное топливо и подаётся напряжение зажигания от высоковольтного импульсного генератора.

Основной частью двигателя ПД является один или несколько цилиндров, внутри которых производится сжигание паро-водородно-кислородного топлива – горючей смеси. Поскольку поджигание такой горючей смеси в цилиндре двигателя с применением обычно используемой свечи зажигания неэффективно (из-за присутствия пара), то каждый из цилиндров должен быть выполнен из специальной керамики, обладающей большой химической стойкостью, прочностью, износостойкостью, тугоплавкостью и отсутствием электропроводности.

Внутри цилиндра может передвигаться поршень, представляющий собой полый стальной (а лучше титановый), с одной стороны закрытый (днищем поршня) цилиндр, опоясанный пружинящими кольцами. Поршень в конечном счёте кинематически связан с коленчатым валом. Электропроводное днище поршня представляет собой как бы первую обкладку электрического конденсатора (пока цилиндр не заполнен горючей смесью).

Головка (верхняя часть) цилиндра, в котором помещается поршень, сообщается с двумя каналами, закрытыми клапанами. Через первый канал – впускной – подаётся горючая смесь. Через второй – выпускной выбрасываются продукты сгорания (водяной пар) в рабочем режиме двигателя.

Клапаны первого и второго каналов открываются при помощи кулачков, установленных на кулачковом валу распределительного устройства, кинематически связанного с коленчатым валом.

Головка цилиндра в пространстве над поршнем снабжена электропроводной пластиной, образующей вторую обкладку электрического конденсатора.

Обкладки электрического конденсатора образуют приспособление для зажигания горючей смеси посредством высокотемпературных ионно-электронных струй, образуемых между обкладками конденсатора установленным на машине высоковольтным импульсным генератором, выполненным, например, с применением высокочастотного резонансного трансформатора с относительно небольшой потребляемой мощностью от аккумуляторной батареи.

По управлению этот импульсный генератор связан с положением поршня в верхней мёртвой точке и до некоторого другого его положения в цилиндре двигателя, и должен быть отключенным в начальный период запуска двигателя – пока двигатель работает как поршневой насос (до вытеснения воздуха и пара из системы и замены их горючей смесью).

Платина и палладий – высокоэффективные катализаторы, они замечательны своей способностью поглощать огромное количество водорода (платина до 100, а палладий до 900 объёмов на один объём металла). Этот поглощённый водород приближен к атомарному водороду и поэтому очень активен. Платина и палладий способны не только хранить водород в адсорбированном состоянии, но и многократно ускорять при заданной температуре более 1000 градусов процесс диссоциации водяного пара на водород и кислород при правильно подобранных исходных объёмах этих металлов.

Весовой состав воды: 11,11 % водорода и 88,89 % кислорода. Отсюда простейшая формула воды Н2 0.

Молекулы воды имеют большую устойчивость по отношению к нагреванию. Однако при температурах выше тысячи градусов Цельсия водяной пар начинает заметно диссоциировать (разлагаться) на водород и кислород:

            2Н2
0 = 2Н2 + 02 – 136,8 ккал.

Этот процесс проходит с поглощением тепла. Повышение температуры сдвигает равновесие вправо, т. е. к большему образованию двух объёмов водорода и одного объёма кислорода.

При поджигании смеси двух объёмов водорода и одного объёма кислорода соединение газов происходит практически мгновенно во всей массе смеси и сопровождается сильным взрывом. Поэтому такая смесь называется гремучим газом. Чтобы вызвать взрыв смеси, нужно нагреть её хотя бы в одном месте до 700 градусов.

Продуктом горения водорода является вода:

             2Н2 + 02 = 2Н2
0 + 136,8 ккал.

Таким образом, от двух граммолекул водорода (4 г) и одной граммолекулы кислорода (32 г) возникает 136,8 ккал тепловой энергии. Для образования 4 г водорода и 32 г кислорода требуется 36 г воды.

Теплота сгорания 1 г водорода составит:

        136800 / 4 = 34200 (кал / г) = 14,32 · 10 7 дж / кг.

Для сравнения: теплота сгорания 1 г бензина равна 11000 кал или 4,6 · 10 7 дж / кг. Поэтому удельная теплота сгорания водорода больше удельной теплоты сгорания бензина в

34200 / 11000 = 3,1 (раза).

Полезно также отметить, какой объём гремучего газа максимально может образоваться из 36 г воды. Поскольку граммолекула (моль) любого газа (при нормальных условиях) занимает объём 22,4 л, то две граммолекулы водорода и одна граммолекула кислорода занимают объём

3 · 22,4 = 67,2 (л).

Гремучий газ – это газовая смесь, содержащая по объёму 66,7 % водорода и 33,3 % кислорода.

Поскольку гремучий газ имеет очень высокую жёсткость сгорания, а на его образование без учёта тепловых потерь требуется затратить столько же тепловой энергии, сколько её получается при жёстком сгорании (взрыве), то в чистом виде гремучий газ не может быть использован в качестве топлива для поршневых двигателей и, в том числе, по соображениям безопасности.

Но если гремучий газ оказывается разбавленным водяным паром в пределах взрываемости, то тем самым обеспечивается более мягкое сгорание такой смеси, например, с теплотворностью 8000 – 11000 кал/г (вместо 34200 кал/г у водорода) и с теоретической температурой сгорания 1000 – 1200 градусов (вместо 2045 градусов у водорода), а также снижаются затраты тепловой энергии на образование взрывной смеси с ограниченным количеством гремучего газа на каждый момент времени.

Используя только термический метод разложения водяного пара на водород и кислород, возможно получать даже при температуре 2000 градусов степень диссоциации (число продиссоциировавших молекул пара) только 1,8 % (от общего числа молекул пара, участвующих в химическом равновесии), причём за довольно длительное время, и уже при охлаждении водяного пара и продуктов диссоциации вне сферы взаимодействия даже немногим ниже 1000 градусов равновесие практически полностью сдвигается в сторону образования водяного пара, а не образования смеси водорода, кислорода и пара.

Таким образом, как вывод, используя только термический метод разложения водяного пара на водород и кислород, реакция обратима, и с повышением температуры равновесие с поглощением тепла сдвигается вправо с образованием большей концентрации гремучего газа, а концентрация пара уменьшается. Но если при этом постепенно увеличивать (поддерживать) концентрацию водяного пара, то равновесие всё время смещается в сторону реакции, понижающей концентрацию пара и увеличивающей количество гремучего газа.

Введение платинового и палладие-водородного катализаторов в равновесную систему не изменяет состояния равновесия, т. к. катализаторы в одинаковой степени ускоряют и прямую, и обратную реакцию. Но применение катализаторов даёт возможность значительно ускорить наступление равновесия, т. е. в более короткий и необходимый в практическом отношении срок получить необходимое количество гремучего газа. Рассчётно реакция диссоциации водяного пара протекает с достаточной скоростью только при температурах не ниже 1300 градусов и в присутствии достаточных объёмов катализаторов.

Если при помощи пластинчатого конденсатора в цилиндре двигателя на пар с продуктами диссоциации произвести наложение слабоэнергетического высокочастотного поля высокого напряжения, создаваемого импульсным генератором, то в определённом пределе температур возможно приостановить смещение химической реакции в сторону образования водяного пара и ещё успеть произвести взрыв смеси продуктов диссоциации и водяного пара.

Характерная особенность обратимых реакций заключается в том, что они не доходят до конца, если продукты реакции не удалять из сферы взаимодействия. При неизменных условиях химическое равновесие может сохраняться как угодно долго. Но если образующиеся от суммы воздействующих факторов продукты реакции через трубопровод удалять из сферы взаимодействия (в вертикальном перегревателе пара ВПП), быстро охлаждать, пропуская их через змеевик З в нагревателе (догревателе) первичного пара НП и водяной отделитель гремучего газа ОГГ от пара, то отделённый водой от пара гремучий газ будет иметь температуру несколько больше 100 градусов Цельсия и его возможно смешивать с первичным паром той же температуры в смесителе СМ. При этом молекулы водорода, кислорода и водяного пара оказываются свободными. При температурах порядка до 200 градусов скорость реакции крайне мала.

В одном из примеров рассчётно объёмная концентрация гремучего газа 11,5 % и водяного пара 88,5 % с температурой до 200 градусов Цельсия соответствует рабочей смеси, образованной бензином и атмосферным воздухом (на один и тот же расходуемый объём в секунду рабочей смеси, хотя и для разного рода двигателей).

Работа двигателя (что возможно было бы показать на примере одноцилиндрового двигателя) состоит из следующих тактов: первый такт – всасывание. Открывается впускной клапан и поршень, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр рабочую смесь с выхода камеры смесеобразования (смесителя СМ). При этом из-за создаваемого разрежения рабочая смесь дополнительно охлаждается. Молекулы пара, водорода и кислорода оказываются перемешанными и свободными.

Второй такт – сжатие. Впускной клапан закрывается и поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь. Смесь при сжимании нагревается до температуры несколько меньшей 700 градусов (что задаётся степенью и скоростью сжатия смеси). Для того, чтобы температура в цилиндре двигателя не поднималась до 700 градусов, он охлаждается, например, водой из системы охлаждения.

        .

Третий такт – сгорание. Когда поршень достигает верхнего положения, на обкладки конденсатора в надпоршневом пространстве накладывается высокое высокочастотное напряжение от импульсного генератора, действующее определённый промежуток времени (пока поршень не займёт новое определённое положение), отчего из-за прохождения высокотемпературных ионно-электронных струй между обкладками конденсатора температура сразу в некоторых местах рабочей смеси возрастает до её поджигания. В результате мягкого сгорания смеси температура в цилиндре двигателя повышается до 1000-1200 градусов.

После сгорания смеси возникает дополнительно образуемый перегретый пар. Сила давления пара толкает поршень вниз. Движение поршня передаётся коленчатому валу и этим производится полезная работа, часть которой может быть израсходована на получение электрической энергии, подзаряжающей аккумуляторные батареи машины. Производя работу и расширяясь, пар охлаждается до температуры порядка 150 градусов, давление в цилиндре падает.

Четвёртый такт – выпуск пара. Открывается выпускной клапан и отработавший пар выбрасывается в атмосферу.

Регулирование скорости вращения коленчатого вала двигателя производится изменением соотношения концентраций водорода, кислорода и водяного пара в рабочей смеси, регулированием производительности паро-водородно-кислородного генератора. Нижний и верхний пределы взрываемости обозначенной смеси водорода и кислорода с водяным паром (в объёмных %) ограничивают довольно широкий диапазон.

Достоинства двигателя: экологическая безопасность – нет выхлопных газов, загрязняющих атмосферу, мягкое сгорание рабочей смеси (без детонации), широкий диапазон возможной мощности, малое потребление воды.

Недостатки двигателя: сложность конструкции паро-водородно-кислородного генератора – повышенная его габаритность, относительно низкий коэффициент полезного действия без применения экономически выгодных генераторов электрической энергии, и тихоходность двигателя, высокая стоимость установки в своей совокупности – с генератором и поршневым двигателем, в том числе, вызванная необходимостью применения в паро-водородно-кислородном генераторе дорогостоящих катализаторов.

В качестве конкретного примера возьмём 4-х цилиндровый двигатель и определим, какая будет (должна быть) мощность двигателя и производительность паро-водородно-кислородного генератора, если среднее давление в цилиндрах двигателя, например, 5 кг / см2, ход поршня 30 см (0,3 м) и площадь поршня 120 см 2. При этом двигатель должен совершать

300 об / мин = 5 об / с = 10 рабочих ходов поршня в секунду.

Рабочий объём каждого цилиндра: V = 30 · 120 = 3600 (см 3) = 3,6 л (литра). Полезную работу совершает один из цилиндров двигателя.

Итак, 5 об / с = 10 рабочих ходов поршня в секунду. Потребность рабочей смеси:

3,6 · 10 = 36 (л / с). Определим работу А, совершаемую двигателем, и его мощность Р.

Работа А = 10 раб. ходов поршня в сек. · 5 кг/см 2 · 120 см 2 · 0,3 м = 1800 кгм / с · 9,8 = 17640 (вт/с). Мощность Р = 17640/735 = 24 (л.с.).

Если бы двигатель был бензиновым (калорийность бензина 11000 ккал/кг = 11000 кал/г, а 1 ккал тепловой энергии соответствует 427 кгм), то расход бензина составил бы:

1800 кгм/с / 427 кгм = 4,21546 ккал/с = 4215,46 кал/с. 4215,46 / 11000 = 0,383 (г/с).

Так как калорийность водорода 34200 кал/г, то потребность водорода, используемого вместо бензина, уменьшится в 34200 / 11000 = 3,1 раза и составит: 0,383 / 3,1 = 0,1235 г/ с водорода – 2,075 л/с гремучего газа.

Производительность паро-водородно-кислородного генератора по выработке паро-водородно-кислородного топлива (горючей смеси) составит: 2,075 л/с гремучего газа и 33,92 л/с (36 – 2,075 = 33,92 (л/с ) водяного пара. Т. е. 5,76 % гремучего газа и 94,24 % водяного пара (в данном случае это нижний предел взрываемости горючей смеси).

Учитывая, что из 36 г воды может образоваться 67,2 л гремучего газа, а пар занимает в 1600 раз больший объём, чем вода, то на образование 2,075 л/с гремучего газа при мощности двигателя 24 л.с. требуется 1,11 г/с (или иначе – 1,78 л/с) водяного пара.

Поскольку известно, что при перегреве пара от 1000 до 2000 градусов число продиссоциировавших молекул пара возрастает от 0 до 1,8 % на одно равновесное состояние в химической реакции диссоциации, то при температуре 1350 градусов на одно равновесное состояние реакции приходится 0,63 % продиссоциировавших молекул пара. Поэтому необходимо: 100 / 0,63 = 159 установлений равновесных состояний в секунду. Что достижимо при равномерном и в достаточном количестве поступлении пара на ввод паро-водородно-кислородного генератора и выбором необходимой площади контактных поверхностей дорогих платинового и палладиевого катализаторов.

Для разбавления гремучего газа в пределах взрываемости в камере смешивания СМ может быть применён вместо пара и атмосферный воздух. При этом требования к конструкции поршневого двигателя снижаются. Это уже может быть обычно применяемый поршневой двигатель.

Необходимость соблюдения закона сохранения энергии указывает на то, что коэффициент полезного действия парогазового генератора с поршневым двигателем возможно увеличить за счёт применения экономически выгодных топливных элементов, обеспечивающих электропитание вертикального перегревателя пара ВПП. Но для этого будет необходимо, кроме того, дополнительное разделение гремучего газа на водород и кислород, или дополнительное применение высокотемпературного (порядка 600 – 900 градусов Цельсия) ядерного мини-реактора.

И, как вывод: паро-водородно-кислородные генерататоры, а также воздушно-водородно-кислородные генераторы с поршневыми двигателями вряд ли найдут широкое практическое применение, поскольку целесообразнее практическая реализация экономичных установок для производства водородно-кислородного топлива термическим методом в условиях гидроэлектростанций малой и большой мощности, которое наиболее эффективно можно использовать в двигателях транспортных и прочих средств обеспечения полезной механической работы.

Источники информации:

1. Last-portal.ucoz.ru/news Водородная энергетика.

2. cleandex.ru Страны-лидеры мировой водородной энергетики.

3. kripsait.ru Водородная энергетика. Прогресс: наука и технологии.

4. Н. Л. Глинка «Общая химия», Госхимиздат, М., 1956, с. 196 – 199, 219 – 220.

5. А. А. Кудрявцев «Составление химических уравнений», М., «Высшая школа», 1991, с. 220 – 222.


Все статьи автора «Комаров Станислав Григорьевич»

Airbus представил прототипы самолетов с водородным двигателем – Газета.uz

Фото: Airbus

Airbus представила три концепта самолетов на водороде с нулевым уровнем вредных выбросов. Компания намерена построить первый подобный лайнер к 2035 году.

22 сентября 2020, 18:13   Мир  

Французский авиастроительный концерн Airbus представил три концепции первых в мире коммерческих самолетов ZEROe с нулевым уровнем вредных выбросов. Революционная технология способна снизить выбросы самолетов до 50%, сообщается на сайте компании.

«Еще пять лет назад водородные двигатели даже не рассматривались как жизнеспособная технология сокращения выбросов. Сегодня мы воодушевлены невероятным потенциалом водорода, который предлагается авиации с точки зрения резкого сокращения выбросов», отметил вице-президент Airbus Гленн Ллевеллин.

Фото: Airbus.

Первый прототип — с двумя турбовентиляторными двигателями — внешне похож на классический пассажирский лайнер, за исключением более длинных и гибких крыльев. Он рассчитан на 200 пассажиров, а его дальность полета превышает 3700 километров.

Фото: Airbus.

У второго концепта два турбовинтовых двигателя, которые приводят в действие винты с шестью лопастями. Самолет вмещает до 100 пассажиров и способен пролететь более 1850 километров.


Фото: Airbus.

Третий концепт представляет собой широкофюзеляжный самолет с турбовентиляторными двигателями и «смешанным крылом». Он, как и первый прототип, рассчитан на 200 пассажиров, дальность полета составит более 3700 километров.

В Airbus рассчитывают, что первый самолет, использующий вместо авиационного топлива жидкий водород, будет введен в эксплуатацию в 2035 году.

Инфографика: Airbus.

Подпишитесь на наш Telegram «Газета.uz»