Бібліографічна посилання на цю статтю:
// Сучасна техніка і технології. 2012. № 5 [Електронний ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2012/05/822 (дата звернення: 07.02.2019).
Комаров С. Г., незалежний дослідник, електромеханік
Представлений аналіз конструкції і роботи паро-воднево-кисневого генератора, що створює з води в необхідній кількості на поточний момент часу паро-воднево-кисневе паливо, що працює в сукупності з поршневим двигуном, який, в свою чергу, перетворює реакцію між воднем і киснем в присутності водяної пари в межі м'якої вибуховості в швидкий підйом температури, з розширенням після вибуху (згоряння палива) перегрітої пари в робочій камері циліндра двигуна, що забезпечує зворотно-поступальний рух поршня і механічну роботу обертового колінчастого вала.
На малюнку представлена спрощена блок-схема паро-воднево-кисневого генератора з поршневим двигуном.
Паро-воднево-кисневий генератор складається з первинного просвітників пара у складі ємності ПОП під воду В і пар П, з'єднаної токоізолірующімі трубопроводами ІТ через керовані вентилі В2 і В3 з електропровідним трубчастим індуктором ТИ (соленоидом), який живиться струмом підвищеної частоти (близько 10 кГц і більше) від спеціального керованого генератора Г, що працює від акумуляторної батареї; вертикального перегревателя пара ВПП, нагрівача (догрівачі) первинного пара НП, отделителя гримучого газу Огг від пара і змішувача гримучого газу з парою СМ.
У камері вертикального перегревателя пара ВПП найбільш ефективно застосувати індукційний електронагрівач (трубчастий індуктор ТИ), діючий шляхом порушення струму в платинованим по поверхні залізних стрижнях (з температурою плавлення 1565 градусів Цельсія), поміщених в ізолюючу спеціальну кераміку (типу карборунда, з температурою плавлення 2700 градусів ) з отворами, як для розміщення в них залізних стрижнів, так і для проходження і перегріву пара до температури в межі 1100 - 1450 градусів, і розміщення в них мелкораздроб енного паладію, насиченого в промислових умовах воднем (температура плавлення платини +1769 градусів, паладію тисячу п'ятсот п'ятьдесят дві градуса).
Трубчастий індуктор ТИ (з металу) початково заповнений водою з ємності ПОП первинного просвітників пара через ізолюючі трубопроводи ІТ і дистанційно керовані вентилі В2, В3. Одна частина ємності ПОП первинного просвітників пара заповнена водою В, а інша її частина - утвореним первинним паром П.
Вихід вертикального перегревателя пара ВПП утворює трубчастий змійовик З в ємності нагрівача (догрівачі) пара НП, в свою чергу з'єднаної входом через вентиль В4 з виходом ємності ПОП первинного просвітників пара, а виходом - з входом вертикального перегревателя пара ВПП.
Вихід змійовика З з'єднаний через високу коліно (на малюнку не показано) з входом отделителя гримучого газу Огг від пара (щоб вода отделителя гримучого газу Огг не потрапляла в змійовик З). У ємність отделителя гримучого газу Огг від пара через вентиль В1 примусово подається вода в режимі періодичної підживлення і поновлення (зворотний зв'язок не показана). Утворений в ємності отделителя гримучого газу Огг від пара гримучий газ надходить через першу форсунку в змішувач СМ, в який через другу форсунку надходить через вентиль В5 також пар з виходу ємності ПОП первинного просвітників пара. Вихід змішувача СМ гримучого газу з парою з'єднаний через запобіжний клапан ПК з введенням подачі горючої суміші в поршневий двигун ПД.
Ємність ПОП первинного просвітників пара в частині заповнення водою з'єднана з плунжерній подачею ПП води через свій клапан для забезпечення постійного рівня води в ємності ПОП.
Ємності отделителя гримучого газу Огг від пара і ПОП первинного просвітників пара забезпечені датчиками контролю належного в них кількості води, які з'єднані з входами спеціалізованого мікропроцесора, що забезпечує за заданою програмою підживлення цих ємностей водою через керований вентиль В1 і клапан плунжерній подачі води ПП. Теплоізоляція паро-воднево-кисневого генератора на малюнку не показана.
Працює паро-воднево-кисневий генератор наступним чином.
За правилом сполучених посудин вода з ємності ПОП надходить в трубчастий індуктор ТИ. Чи включається генератор Г, який трубчастим індуктором ТИ перетворює воду в пар, що надходить в парову частина ємності ПОП первинного просвітників пара, забезпечуючи необхідний тиск пара. Під тиском пар далі надходить через вентиль В4 в ємність догрівачі пара НП і через вентиль В5 в другу форсунку змішувача СМ. З ємності догрівачі пара НП пар надходить на введення вертикального перегревателя пара ВПП до температури порядку 1100 - 1450 градусів Цельсія. Перегріта пара в вертикальному перегрівачів пара ВПП з продуктами дисоціації пара надходить в змійовик З, що забезпечує з одного боку підігрів первинного пара в ємності НП, а з іншого боку охолодження пара вертикального перегревателя пара ВПП до температури нижче 1000 градусів Цельсія, при якій припиняється утворення продуктів дисоціації пара. Далі пар з продуктами дисоціації проходить в ємність з водою отделителя гримучого газу Огг від пара, а відокремлений гримучий газ надходить в першу форсунку змішувача Див гримучого газу з первинним паром, що надходять в другу форсунку змішувача СМ.
Стартером розкручується колінчастий вал поршневого двигуна ПД. При цьому поршневий двигун ПД працює як поршневий насос (без подачі напруги запалювання), ніж самим забезпечується видалення з паро-воднево-кисневого генератора і поршневого двигуна ПД атмосферного повітря. Після чого в двигун ПД починає надходити від змішувача СМ через запобіжний клапан ПК паро-воднево-кисневе паливо і подається напруга запалювання від високовольтного імпульсного генератора.
Основною частиною двигуна ПД є один або кілька циліндрів, усередині яких проводиться спалювання паро-воднево-кисневого палива - горючої суміші. Оскільки підпалювання такої горючої суміші в циліндрі двигуна із застосуванням що зазвичай використовуються свічки запалювання неефективно (через присутність пара), то кожен з циліндрів повинен бути виконаний зі спеціальної кераміки, яка має великий хімічну стійкість, міцність, зносостійкість, тугоплавкостью і відсутністю електропровідності.
Усередині циліндра може пересуватися поршень, який представляє собою порожнистий сталевий (а краще титановий), з одного боку закритий (днищем поршня) циліндр, оперезаний пружними кільцями. Поршень в кінцевому рахунку кинематически пов'язаний з колінчастим валом. Електропровідне днище поршня є хіба першу обкладання електричного конденсатора (поки циліндр не заповнений горючою сумішшю).
Головка (верхня частина) циліндра, в якому поміщається поршень, повідомляється з двома каналами, закритими клапанами. Через перший канал - впускний - подається горюча суміш. Через другий - випускний викидаються продукти згорання (водяна пара) в робочому режимі двигуна.
Клапани першого і другого каналів відкриваються за допомогою кулачків, встановлених на кулачковому валу розподільного пристрою, кінематично пов'язаного з колінчастим валом.
Головка циліндра в просторі над поршнем забезпечена електропровідною пластиною, що утворює другу обкладку електричного конденсатора.
Обкладки електричного конденсатора утворюють пристосування для запалювання горючої суміші за допомогою високотемпературних іонно-електронних струменів, утворених між обкладинками конденсатора встановленим на машині високовольтним імпульсним генератором, виконаним, наприклад, із застосуванням високочастотного резонансного трансформатора з відносно невеликою споживаною потужністю від акумуляторної батареї.
По управлінню цей імпульсний генератор пов'язаний з положенням поршня у верхній мертвій точці і до деякого іншого його положення в циліндрі двигуна, і повинен бути відключеним в початковий період запуску двигуна - поки двигун працює як поршневий насос (до витіснення повітря і пара з системи і заміни їх горючою сумішшю).
Платина і паладій - високоефективні каталізатори, вони чудові своєю здатністю поглинати величезну кількість водню (платина до 100, а паладій до 900 об'ємів на один обсяг металу). Цей поглинений водень наближений до атомарному водню і тому дуже активний. Платина і паладій здатні не тільки зберігати водень в адсорбованому стані, але і багато разів прискорювати при заданій температурі понад 1000 градусів процес дисоціації водяної пари на водень і кисень при правильно підібраних вихідних обсягах цих металів.
Ваговій склад води: 11,11% водню і 88,89% кисню. Звідси найпростіша формула води Н2 0.
Молекули води мають більшу стійкість по відношенню до нагрівання. Однак при температурах вище тисячі градусів Цельсія водяна пара починає помітно диссоциировать (розкладатися) на водень і кисень:
2Н2
0 = 2Н2 + 02 - 136,8 ккал.
Цей процес проходить з поглинанням тепла. Підвищення температури зміщує рівновагу вправо, т. Е. До більшого утворення двох обсягів водню і одного об'єму кисню.
При підпалюванні суміші двох обсягів водню і одного об'єму кисню з'єднання газів відбувається практично миттєво у всій масі суміші і супроводжується сильним вибухом. Тому така суміш називається гримучим газом. Щоб викликати вибух суміші, потрібно нагріти її хоча б в одному місці до 700 градусів.
Продуктом горіння водню є вода:
2Н2 + 02 = 2Н2
0 + 136,8 ккал.
Таким чином, від двох граммолекул водню (4 г) і однієї граммолекули кисню (32 г) виникає 136,8 ккал теплової енергії. Для освіти 4 г водню і 32 г кисню потрібно 36 г води.
Теплота згоряння 1 г водню складе:
136800/4 = 34200 (кал / г) = 14,32 × 10 7 дж / кг.
Для порівняння: теплота згоряння 1 г бензину дорівнює 11000 кал або 4,6 х 10 7 дж / кг. Тому питома теплота згоряння водню більше питомої теплоти згорання бензину в
34200/11000 = 3,1 (рази).
Корисно також відзначити, який обсяг гримучого газу максимально може утворитися з 36 г води. Оскільки граммолекула (моль) будь-якого газу (при нормальних умовах) займає обсяг 22,4 л, то дві граммолекули водню і одна граммолекула кисню займають обсяг
3 · 22,4 = 67,2 (л).
Гримучий газ - це газова суміш, яка містить за обсягом 66,7% водню і 33,3% кисню.
Оскільки гримучий газ має дуже високу жорсткість згоряння, а на його освіту без урахування теплових втрат потрібно затратити стільки ж теплової енергії, скільки її виходить при жорсткому згорянні (вибуху), то в чистому вигляді гримучий газ не може бути використаний як паливо для поршневих двигунів і, в тому числі, з міркувань безпеки.
Але якщо гримучий газ виявляється розведеним водяною парою в межах вибуховості, то тим самим забезпечується більш м'яке згоряння такої суміші, наприклад, з теплотворною 8000 - 11000 кал / г (замість 34200 кал / г у водню) і з теоретичної температурою згоряння 1000 - 1200 градусів (замість 2045 градусів у водню), а також знижуються витрати теплової енергії на освіту вибуховий суміші з обмеженою кількістю гримучого газу на кожен момент часу.
Використовуючи тільки термічний метод розкладання водяної пари на водень і кисень, можливо отримувати навіть при температурі 2000 градусів ступінь дисоціації (число продіссоцііровавшіх молекул пара) тільки 1,8% (від загального числа молекул пара, що беруть участь в хімічному рівновазі), причому за досить тривалий час , і вже при охолодженні водяної пари і продуктів дисоціації поза сферою взаємодії навіть трохи нижче 1000 градусів рівновагу практично повністю зсувається в бік утворення водяної пари, а не освіти суміші водню, кисню і пара.
Таким чином, як висновок, використовуючи тільки термічний метод розкладання водяної пари на водень і кисень, реакція оборотна, і з підвищенням температури рівновага з поглинанням тепла зсувається вправо з утворенням більшої концентрації гримучого газу, а концентрація пари зменшується. Але якщо при цьому поступово збільшувати (підтримувати) концентрацію водяної пари, то рівновага весь час зміщується в бік реакції, що знижує концентрацію пара і збільшує кількість гримучого газу.
Введення платинового і паладій-водневого каталізаторів в рівноважну систему не змінює стану рівноваги, т. К. Каталізатори в однаковій мірі прискорюють і пряму, і зворотну реакцію. Але застосування каталізаторів дає можливість значно прискорити настання рівноваги, т. Е. В більш короткий і необхідний в практичному відношенні термін отримати необхідну кількість гримучого газу. Розрахунково реакція дисоціації водяної пари протікає з достатньою швидкістю лише при температурах не нижче 1300 градусів і в присутності достатніх обсягів каталізаторів.
Якщо за допомогою пластинчастого конденсатора в циліндрі двигуна на пар з продуктами дисоціації зробити накладення слабоенергетіческого високочастотного поля високої напруги, створюваного імпульсним генератором, то в певному межі температур можливо призупинити зміщення хімічної реакції в бік утворення водяної пари і ще встигнути зробити вибух суміші продуктів дисоціації і водяного пара.
Характерна особливість оборотних реакцій полягає в тому, що вони не доходять до кінця, якщо продукти реакції не видаляти зі сфери взаємодії. При незмінних умовах хімічну рівновагу може зберігатися як завгодно довго. Але якщо утворюються від суми факторів, що впливають продукти реакції через трубопровід видаляти зі сфери взаємодії (в вертикальному перегрівачів пара ВПП), швидко охолоджувати, пропускаючи їх через змійовик З в нагрівачі (догрівачів) первинного пара НП і водяний відділювач гримучого газу Огг від пара, то відокремлений водою від пара гримучий газ матиме температуру трохи більше 100 градусів Цельсія і його можливо змішувати з первинним паром тієї ж температури в змішувачі СМ. При цьому молекули водню, кисню і водяної пари виявляються вільними. При температурах порядку до 200 градусів швидкість реакції вкрай мала.
В одному з прикладів розрахунково об'ємна концентрація гримучого газу 11,5% і водяної пари 88,5% з температурою до 200 градусів Цельсія відповідає робочій суміші, утвореної бензином і атмосферним повітрям (на один і той же споживаний обсяг в секунду робочої суміші, хоча і для різного роду двигунів).
Робота двигуна (що можливо було б показати на прикладі одноциліндрового двигуна) складається з наступних тактів: перший такт - всмоктування. Відкривається впускний клапан і поршень, рухаючись вниз, засмоктує в циліндр робочу суміш з виходу камери сумішоутворення (змішувача СМ). При цьому через створюваного розрідження робоча суміш додатково охолоджується. Молекули пара, водню і кисню виявляються перемішаними і вільними.
Другий такт - стиск. Впускний клапан закривається і поршень, рухаючись вгору, стискає горючу суміш. Суміш при стисканні нагрівається до температури дещо меншою 700 градусів (що задається ступенем і швидкістю стиснення суміші). Для того, щоб температура в циліндрі двигуна не піднімалася до 700 градусів, він охолоджується, наприклад, водою з системи охолодження.
.
Третій такт - згоряння. Коли поршень досягає верхнього положення, на обкладання конденсатора в надпоршневомупросторі накладається високе високочастотну напругу від імпульсного генератора, що діє певний проміжок часу (поки поршень не займе нове певне положення), від чого через проходження високотемпературних іонно-електронних струменів між обкладинками конденсатора температура відразу в деяких місцях робочої суміші зростає до її підпалювання. В результаті м'якого згоряння суміші температура в циліндрі двигуна підвищується до 1000-1200 градусів.
Після згоряння суміші виникає додатково утворений перегрітий пар. Сила тиску пара штовхає поршень вниз. Рух поршня передається колінчастого валу і цим проводиться корисна робота, частина якої може бути витрачена на отримання електричної енергії, що заряджає акумуляторні батареї машини. Виробляючи роботу і розширюючись, пара охолоджується до температури близько 150 градусів, тиск в циліндрі падає.
Четвертий такт - випуск пари. Відкривається випускний клапан і відпрацьована пара викидається в атмосферу.
Регулювання швидкості обертання колінчастого вала двигуна виробляється зміною співвідношення концентрацій водню, кисню і водяної пари в робочій суміші, регулюванням продуктивності паро-воднево-кисневого генератора. Нижній і верхній межі вибуховості позначеної суміші водню і кисню з водяною парою (в об'ємних%) обмежують досить широкий діапазон.
Переваги двигуна: екологічна безпека - немає вихлопних газів, що забруднюють атмосферу, м'яке згоряння робочої суміші (без детонації), широкий діапазон можливої потужності, мале споживання води.
Недоліки двигуна: складність конструкції паро-воднево-кисневого генератора - підвищена його габаритність, відносно низький коефіцієнт корисної дії без застосування економічно вигідних генераторів електричної енергії, і тихохідність двигуна, висока вартість установки в своїй сукупності - з генератором і поршневим двигуном, в тому числі, викликана необхідністю застосування в паро-воднево-кисневому генераторі дорогих каталізаторів.
Як конкретний приклад візьмемо 4-х циліндровий двигун і визначимо, яка буде (повинна бути) потужність двигуна і продуктивність паро-воднево-кисневого генератора, якщо середній тиск в циліндрах двигуна, наприклад, 5 кг / см2, хід поршня 30 см (0 , 3 м) і площа поршня 120 см 2. При цьому двигун повинен здійснювати
300 об / хв = 5 об / с = 10 робочих ходів поршня в секунду.
Робочий об'єм кожного циліндра: V = 30 · 120 = 3600 (см 3) = 3,6 л (літри). Корисну роботу виконує один з циліндрів двигуна.
Отже, 5 об / с = 10 робочих ходів поршня в секунду. Потреба робочої суміші:
3,6 · 10 = 36 (л / с). Визначимо роботу А, що здійснюються двигуном, і його потужність Р.
Робота А = 10 роб. ходів поршня в сек. · 5 кг / см 2 · 120 см 2 · 0,3 м = 1800 кгм / с · 9,8 = 17640 (вт / с). Потужність Р = 17640/735 = 24 (к.с.).
Якби двигун був бензиновим (калорійність бензину 11000 ккал / кг = 11000 кал / г, а 1 ккал теплової енергії відповідає 427 кгм), то витрата бензину склав би:
1800 кгм / с / 427 кгм = 4,21546 ккал / с = 4215,46 кал / с. 4215,46 / 11000 = 0,383 (г / с).
Так як калорійність водню 34200 кал / г, то потреба водню, що використовується замість бензину, зменшиться в 34200/11000 = 3,1 рази і складе: 0,383 / 3,1 = 0,1235 г / с водню - 2,075 л / с гримучого газу .
Продуктивність паро-воднево-кисневого генератора з вироблення паро-воднево-кисневого палива (горючої суміші) складе: 2,075 л / с гримучого газу і 33,92 л / с (36 - 2,075 = 33,92 (л / с) водяної пари. Т. е. 5,76% гримучого газу і 94,24% водяної пари (в даному випадку це нижня межа вибуховості горючої суміші).
З огляду на, що з 36 г води може утворитися 67,2 л гримучого газу, а пар займає в 1600 разів більший обсяг, ніж вода, то на освіту 2,075 л / с гримучого газу при потужності двигуна 24 к.с. потрібно 1,11 г / с (або інакше - 1,78 л / с) водяної пари.
Оскільки відомо, що при перегріванні пара від 1000 до 2000 градусів число продіссоцііровавшіх молекул пара зростає від 0 до 1,8% на одне рівноважний стан в хімічній реакції дисоціації, то при температурі 1350 градусів на одне рівноважний стан реакції доводиться 0,63% продіссоцііровавшіх молекул пара. Тому необхідно: 100 / 0,63 = 159 установлений рівноважних станів в секунду. Що можна досягти лише при рівномірному і в достатній кількості надходження пара на введення паро-воднево-кисневого генератора і вибором необхідної площі контактних поверхонь дорогих платинового і паладієвого каталізаторів.
Для розведення гримучого газу в межах вибуховості в камері змішування СМ може бути застосований замість пара і атмосферне повітря. При цьому вимоги до конструкції поршневого двигуна знижуються. Це вже може бути звичайно застосовуваний поршневий двигун.
Необхідність дотримання закону збереження енергії вказує на те, що коефіцієнт корисної дії парогазового генератора з поршневим двигуном можливо збільшити за рахунок застосування економічно вигідних паливних елементів, які забезпечують електроживлення вертикального перегревателя пара ВПП. Але для цього буде необхідно, крім того, додатковий поділ гримучого газу на водень і кисень, або додаткове застосування високотемпературного (близько 600 - 900 градусів Цельсія) ядерного міні-реактора.
І, як висновок: паро-воднево-кисневі генерататори, а також повітряно-воднево-кисневі генератори з поршневими двигунами навряд чи знайдуть широке практичне застосування, оскільки доцільніше практична реалізація економічних установок для виробництва воднево-кисневого палива термічним методом в умовах гідроелектростанцій малої і великої потужності, яке найбільш ефективно можна використовувати в двигунах транспортних та інших засобів забезпечення корисної механічної роботи.
Джерела информации:
1. Last-portal.ucoz.ru/news Воднева енергетика.
2. cleandex.ru Країни-лідери світової водневої енергетики.
3. kripsait.ru Воднева енергетика. Прогрес: наука і технології.
4. Н. Л. Глинка «Загальна хімія», Госхіміздат, М., 1956, с. 196 - 199, 219 - 220.
5. А. А. Кудрявцев «Складання хімічних рівнянь», М., «Вища школа», 1991, с. 220 - 222.
Всі статті автора «Комаров Станіслав Григорович»