Шанин Ю. И.
ГосНИИ НПО "ЛУЧ", Железнодорожная 24, Подольск, 142100, Россия, syi@luch.pgts.msk.ru
SD
Максимальный КПД современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в режиме наибольшего момента не превышает 30%. При более низких оборотах двигателя и при городской эксплуатации КПД снижается до 10-12% [1]. Остальная энергия в различных формах теплоты (выхлопных газов, охлаждающей жидкости) рассеивается в окружающей среде. Температура выхлопных газов ДВС в зависимости от числа оборотов двигателя может изменяться от 100 до 450 °С, температура охлаждающей жидкости после прогрева двигателя не превышает 100-110 °С. Использование этих источников для привода полезных технических устройств может рассматриваться как повышение эффективности использования топлива.
Исходя из того, что 70-90% энергии топлива в ДВС теряется, применение в автомобилестроении энергосберегающих водородо- гидридных технологий может стать хорошим способом для дальнейшего совершенствования автомобиля.
Циклически функционирующие устройства с применением гидридов требуют двух уровней температур: высокого уровня (100-200 °С)и среднего уровня (температура окружающей среды). Два температурных уровня нужны для "привода" в действие гидридного теплового насоса (ГТН) и гидрид-ного компрессора (ГК). ГТН может работать в режиме холодильной машины, производя температуру ниже температуры окружающей среды. Получаемый холод может быть использован либо в холодильной камере, либо для кондиционирования салона автомобиля. ГК может быть использован для повышения давления водорода до нужного уровня с целью его дальнейшего применения в качестве топлива. Возможность управления уровнем давления с помощью ГК позволит повысить равновесное давление и тем самым расширить диапазон гидридов, приемлемых для использования в гидридном аккумуляторе водорода. ГК может рассматриваться как дополнительное устройство к аккумулятору водорода (АК), в котором количество гидрида в 10-20 раз меньше, чем в АК.
В настоящее время наиболее привлекательно использование водорода в качестве как основного, так и дополнительного топлива для ДВС. Это позволит поднять топливную экономичность на 30-40% [1] и самое главное резко снизит уровень токсичности отработавших газов. Из всех способов запаса водорода на борту автомобиля (выработка на ходу, сжатие газообразного водорода, сжижение водорода [1]) аккумулирование в обратимых металлогид-ридах на сегодняшний день является наиболее технически реализуемым направлением. Другое перспективное направление — использование гидрирования фуллеренов, способных многократно поднять сорбционную емкость материала (максимальное количество обратимого водорода может составить ~ 7.7% по массе [2]), сегодня встречается с большими техническими трудностями и требует высокого давления активации (50-85 МПа) и высоких рабочих температур (~ 500 °С).
Выбор гидрида для системы хранения водорода должен обеспечивать минимальную массу этой системы при удовлетворительных ее эксплуатационных характеристиках. К гидридным аккумуляторам предъявляются следующие требования:
■ высокая сорбционная способность;
■ малая теплота образования гидрида;
■ высокая плотность для минимизации объема;
■ легкое гидрирование;
■ подходящая Р-С-Т характеристика в диапазоне температур от 20 до 200 °С;
■ высокая стабильность, взрыво - и пожаробезо-пасность;
■ низкая стоимость.
Основным условием применения гидрида является выделение необходимого количества водорода из гидрида на всех режимах работы двигателя.
Использование компьютерной программы по выбору подходящего гидрида представляет собой реализацию термодинамического подхода и предполагает наличие известных физических свойств гидрида. Предполагается, что имеются зависимости давление- концентрация -температура (Р-С-Т) и
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE) #3 2002
известны термодинамические характеристики - энтальпия и энтропия образования гидрида. Также должны быть известны условия применения гидрида - диапазон температур (включая температуру окружающей среды и температуру отработанных газов) и потребный уровень давления выделяющегося водорода. Важным подготовительным этапом работы может стать этап определения располагаемых температур выхлопных газов и охлаждающей жидкости для осредненного режима ездового цикла автомобиля. Подбор же гидрида, удовлетворяющего эксплуатационным требованиям не составляет труда для разработанной методики и сам метод подбора будет продемонстрирован на более сложном случае - выборе пары гидридов для ГТН, работающем в холодильном цикле.
Избыточное, сбросное тепло ДВС, как это не парадоксально звучит, может послужить для генерации холода. Имея два уровня температуры - высокий (100-200 °С) и средний (20-40 °С, который соответствует температуре окружающей среды), подберем гидриды, на которых могут быть получены отрицательные температуры (-50...-5 °С). При выборе гидрида для холодильника, в противоположность водородному аккумулятору, надо стремиться, чтобы энтальпия образования гидрида была как можно больше. Ниже кратко поясняется методика подбора пары гидридов.
Предварительно надежные экспериментальные данные по термодинамическим и теплофизическим свойствам сводятся в таблицы, которые образуют базу данных, работающую под управлением какой-либо системы управления базами данных (например, в нашем случае это Visual FoxPro). Используя данные по Р-С зависимостям для сорбции и десорбции при различных температурах и соответствующие методики, разработанные в трудах Дантцера [3] и несколько расширенные в наших работах [4], можно провести первоначальный, предварительный выбор гидридов при ограничениях давлений и температур, накладываемых техническим применением гидридов.
Использование этой методики основано на ряде упрощающих допущений и предположений [3] и базируется на том, что кривая Р-С имеет плато (в общем случае наклонное) в координатах ln P-C и равновесное давление водорода связано с температурой уравнением Вант- Гоффа:
ln Peq = AH / RT -AS / R + Fp + Fh
(1)
где Реч - равновесное давление; АН, А£ - энтальпия и энтропия образования гидрида; Т - температура; И - универсальная газовая постоянная;
Рр = (С - Ст )й 1п Р /йС = (С - Ст)а
- коэффициент, учитывающий наклон площадки плато;
Р н = 1п (Ра / Рй )
- коэффициент, учитывающий гистерезис; С - концентрация водорода; Ст - средняя концентрация водорода; Ра,РЛ- давление при адсорбции и десорбции. При десорбции Гь=0.
Использование уравнения (1) предполагает:
■ Замену реальных кривых давление-концентрация для сорбции и десорбции водорода в пределах плато на отрезок прямой;
■ Задание начальной и конечной концентрации водорода на концах этого отрезка и соответственно диапазона А С и среднего значения Ст;
■ Определение угла наклона плато а по значениям давлений на концах отрезка;
■ Осреднение значений А С , а , и Еь для некоторого диапазона температур и концентраций, в котором проведены измерения Р-С-Т характеристик.
Таким образом, предполагается, что ур. (1) в первом приближении описывает свойства гидрида в области плато давления, исключая зависимость АН, А£, АС, а, Рн от температуры.
Оперируя уравнениями, подобными (1), для нескольких гидридов, и ставя определенные ограничения для уровней температур Ть (высокая 51 температура), Тт (средняя температура), Т] (низкая температура) и давлений Ртах, Рт1п и задавая эффективность цикла СОР (как отношение полученного полезного холода к затраченному теплу), можно определять и оценивать:
■ Возможности для организации замкнутых холодильных циклов для двух гидридов, когда по максимально возможной располагаемой высокой температуре Ть оценивается минимально достижимая низкая температура Т] при заданном уровне средней температуры Тт, т. е. минимальные условия по Ть и Т] для организации циклов (при нулевом перепаде давлений между сорберами, обменивающимися водородом);
■ Возможность организации различных циклов для трех гидридов1;
■ Параметры циклов при задании перепадов давления между характерными точками циклов (в относительном виде или при задании абсолютных значений), тем самым имитируя создание "движущей силы давления";
■ Возможность осуществления цикла для выбранных заранее сочетаний гидридов и уровней температур Ть, Тт, Т], а также количество водорода, переносимого в таком цикле (в пределах плато Р-С-Т кривой).
Разработан набор программ по выбору гидридов для ГТН, которые предоставляют возможности быстрого перебора различных сочетаний гидридов, начиная с одного и кончая тремя гидридами (при различных видах ограничений: давление, температура, КПД цикла).
Особенности построения расчетных моделей подробно изложены в работах [3,4]. В качестве демонстрации возможностей разработанных моделей приведены результаты по возможным сочетаниям пар гидридов для рефрижераторного цикла (табл.1), когда нагрев гидрида осуществляется выхлопными газами двигателя и максимальная температура гидрида ограничена температурой 200 °С. В этом цикле на гидриде можно получить довольно низкие тем-
1 Более подробно смотри работу Шанина Ю.И. "Выбор гидридов для двухступенчатых металлогидридных химических тепловых насосов" (Сб. тезисов 5-ой международной конференции "Водородное материаловедение и химия гидридов металлов", 1СИМ5'97. Украина, Ялта, 02-08 сент. 1997 г., с.256).
Шанин Ю. И. Выбор гидридов для автомобильных устройств.
Таблица 1. Выбор гидридов для холодильника. Средняя температура Тт = 40 °С. Ограничение высокой температуры Тк < 200 °С. Ограничение низкой температуры Т1 < -30 °С. Ограничение высокого давления Ршах < 30 атм . Ограничение низкого давления Ршш > 0.25 атм . Ограничение на коэффициент эффективности СОР > 0.2. Коэффициент конструкции, как отношение веса конструкции к весу гидрида, Кf,=Gкo/Gгидр=0.5. Результаты представлены в порядке возрастания температуры Т. При отборе пар учтен гистерезис и наклон Р-С-Т кривых.
52
Высокотемпературный гидрид Низкотемпературный гидрид Th ,°C hmax T, i ,°C imin' P ,атм max P ,атм min' COP
TiCV0. 75 CeNi4.5Al0.5 173.8 -63 18.6 0.42 0.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.