( N
ВОДОРОД нем НЕ ОБОЙТИ
V_)
Доктор технических наук В.И. ГУРОВ, кандидат технических наук О.Д. СЕЛИВАНОВ, кандидат технических наук К.Н. ШЕСТАКОВ (ГНЦ РФ ЦИАМ им. П.И. Баранова), академик РАК им. К.Э. Циолковского В.В. АРХИПОВ
Д прель 2013 г. для научно-технической общественности был отмечен 25-летием первого в мире успешного полёта самолёта ТУ-155 с водородным двигателем НК-88. Январь 2014 г. ознаменован таким же юбилеем для двигателя НК-89, успешно проработавшего несколько десятков лётных часов на сжиженном природном газе (СПГ). Эти факты представил, в частности, в своём докладе советник директора департамента авиационной промышленности Минпромторга РФ А.И. Игнатов на II Международной конференции "Водо-род-2014". Полученный уникальный опыт обобщён в книге "Внимание - газы: криогенное топливо для авиации"1.
В этой публикации авторы обращают внимание на следующие обстоятельства: «...Тема криогенных топлив вышла из моды. Бесценные наработки в этой области, как и во многих других, где российские специалисты занимали ведущие мировые позиции, могут быть безвозвратно утеряны. Но переход на новые альтернативные источники энергии является жестокой необходимостью. ^ Учёные могут ошибаться на 50 и даже на § 100 лет, однако ископаемые топлива в - какой-то момент будут исчерпаны. Поте-| ря источников энергии такой же "конец § света", как и любые другие глобальные « катастрофы и беды. Та страна, учёные ^ и специалисты которой первыми найдут 1 оптимальное решение проблемы пере-я- хода на неисчерпаемые источники энер-1 гии, получит доминирующее положение § в мире. Особенно это важно для России <? с учётом огромного населения, богатей-
к
£1 -
« 1 Андреев В.А., Борисов В.Д., Климов В.Т., Малышев В.В., Орлов В.Н. Внимание - газы: криогенное топливо для авиации. М.: Изд-во "Московский рабочий". 2001.
ших природных ресурсов, занимаемого географического положения, климатических зон и расстояний».
В авиации водород в настоящее время используется при запусках гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей ГПВРД2 и в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) при их работе на электрохимических генераторах (ЭХГ). В качестве ЭХГ применяются преимущественно твёрдополимерные топливные элементы (ТПТЭ), причём водород высокого давления (до 50 МПа) и высокой степени очистки хранится в баллонах. Требования к таким баллонам (в отличие от автомобильных аналогов) очень жёсткие. Так, удельная масса не должна превышать значение 0.5 кг/л, то есть масса баллона объёмом 10 л не может быть более 5 кг.
В локальные базы сосредоточения БПЛА необходимо включать источники пополнения баллонов водородом для их размещения на борту беспилотника. Пополнять баллоны водородом можно двумя основными способами:
• от водородных резервуаров сверхвысокого давления (до 100 МПа);
• от ёмкостей с жидким водородом при заполнении баллонов "криогенной заправки" (БКЗ).
Дополнительно к основным известен способ получения водорода электролизом воды с последующим его компри-мированием. Однако этот способ целесообразен для многотоннажного производства водорода при наличии дешёвого источника электроэнергии: для получения 1 кг/с Н2 с давлением 50 МПа требуется более 40 МВт мощности.
2 Гуров В.И., Семенов В.Л. Применение водорода на земле, воздухе и в космосе // Энергия: экономика, техника, экология. 2009. № 1.
18
© В.И. Гуров, О.Д. Селиванов, К.Н. Шестаков, В.В. Архипов
1. ГТУ
2. Накопитель-газификатор
3. Резервуар жидкого водорода
4. Турбонасос
5. Газификатор
6. Компрессор
К котлу ПНВ^
К наземным топливным с элементам
7. Камера сгорания
8. Турбина
9. Источник холодного воздуха
10. Агрегат подачи топлива
11. Емкость газообразного
водорода
Рис. 1.
Комбинированная водородная энергосистема:
I - ГТУ; 2 - накопитель-газификатор;
3 - резервуар жидкого водорода;
4 - турбонасос; 5 - газификатор;
6 - компрессор; 7 - камера сгорания; 8 - турбина; 9 - источник холодного воздуха; 10 - агрегат подачи топлива;
II - ёмкость газообразного водорода.
Первый способ можно реализовать от источника, выполненного в виде либо больших резервуаров объёмом до 10 м3 -по примеру фирмы Dynatek, либо большого количества малых резервуаров объёмом до 0.4 м3 - по примеру фирмы Linde. Эта фирма поставляет с помощью трейлера по сто баллонов объёмом 0.4 м3 каждый с давлением 50 МПа при общей массе водорода 1100 кг.
Второй способ предусматривает заправку от ёмкостей с жидким водородом баллонов с криогенной заправкой (БКЗ) путём заливки во внутренний объём определённого
количества жидкого водорода. При реализации этого способа следует иметь в виду, что хранение водорода в жидком состоянии ограничено по времени. Это обусловлено неизбежными потерями Н2 и накоплением при этом кислорода в форме твёрдых кристаллов. При достижении размера такого кристалла 30 мк появляется опасность воспламенения водорода при его перекачке потребителю. Например, транспортная водородная цистерна ЦТВ-25/Об объёмом 25 м3 и массой Н2, равной 1500 кг, "теряет" в сутки 1% Н2, что составляет 15 кг. По мнению Главного специалиста ОАО "Криоген-маш" А.М. Домашенко3, длительное, эффективное и безопасное хранение водорода большой массы возможно только в резервуарах высокого давления (до 100 МПа).
Изложенное выше позволяет предложить комплексное формирование источника водорода как в резервуарах сверхвысокого давления, так и в ёмкостях с жидким водородом. Такое совмещение двух вариантов источника Н2 расширяет возможности по заправке баллонов либо водородом высокого давления, либо водородом жидким в баллоны криогенной заправки. Кроме того, наличие жидкого водорода (Н2Ж) позволяет при малых затратах энергии получать в закрытых
3 Гуров В.И. Не только самый легкий газ //Двигатель. 2014. № 2.
Рис. 2. Баллон с криогенной заправкой:
1 - внешний сосуд высокого давления;
2 - внутренний сосуд без перепада давлений;
3 - зарядная трубка;
4 - штуцер заправки;
5 - штуцер опорожнения;
6 - сильфон;
7 - отверстия;
8 - теплоизоляция.
Изменение параметров водорода высокого давления при температуре 290 К и разных значениях давления
РКР = 1.28 МПа;
ТКР = 33.2К;
= 0.032 м3/кг;
ЯИД = 4.13 кДж/кг град
1 Р, МПА v, м3/кг Р, кг/м3 R, кДж/ кгград p-v, кДж/кг z _ R
2 30 0.0401 24.96 4.14 1202 1.00
3 40 0.0325 30.78 4.48 1300 1.09
4 50 0.0280 35.70 4.83 1400 1.17
5 60 0.0251 39.89 5.19 1504 1.26
6 70 0.0230 43.50 5.55 1609 1.34
7 80 0.0214 46.64 5.91 1715 1.43
8 90 0.0202 49.39 6.28 1822 1.52
9 100 0.0193 51.82 6.65 1930 1.61
o
резервуарах водород высокого давления (до 85 МПа и выше) путём закачки Н2Ж в них под давлением, например, 7.0 МПа4. На рис. 1 представлена схема заполнения трёх ёмкостей объёмом 10 м3 каждая жидким водородом с последующей его газификацией за счёт тепла окружающей среды. Аналогичным образом (но при давлении не более 0.6 МПа) осуществляется заправка БКЗ.
На рис. 2 приведена схема БКЗ5. Заправка Н2Ж осуществляется во внутренний теплоизолированный сосуд, который по верхнему сильфону связан с внешним сосудом. Внутренний сосуд выполнен с объёмом, определённым из соотношения:
Vb = Pmax ^б^Рж^^шах' (1)
5 где VB - объём внутреннего сосуда; ^ V6 - общий суммарный объём полостей I баллона;
° Ршах - максимально допустимое давле-§ ние в баллоне;
g рж - плотность криогенной жидкости; 1 R - газовая постоянная рабочего
(D
н тела;
1 Tmax - максимально допустимая темпе-1 ратура баллона.
о
* _
о
| 4 Гуров В.И. Водород - универсальный энерго® носитель будущего // Насосы. Турбины. Систе-? мы. 2011. № 1.
5 Довгялло А.И., Лукачев С.В., Романов И.Г. и др. Топливный баллон. Патент РФ на изобретение № 2163699 с приоритетом от 02.07.1999.
Расчёты по формуле (1) показывают, что для сжиженного природного газа при значениях Tmax = 350 К и Pmax = 25 МПа объём внутреннего сосуда VB составляет 33% от общего объёма баллона V6. Соответственно для жидкого водорода при значениях Tmax = 350 К и Pmax = 50 МПа объём VB равен 50% от величины V6. Приведённые здесь результаты расчётов проведены для идеальных газов. Неучёт реальности газов может, например, для водорода при давлении 50 МПа привести к ошибке свыше 20%. В связи с этим большое значение приобретают данные об изменении параметров несовершенного водорода в диапазоне изменения его давления от 50 до 100 МПа. Авторам настоящей статьи неизвестны экспериментальные данные для водорода в таком диапазоне изменения давления, что вынуждает ограничиваться только расчётами по приведённому уравнению Ван-дер-Ваальса в виде
fr + -1) = 8x, (2)
P o T где r =-, ~ =- их =- - приве-
P 0 t
A кр и кр JKp
дённые к критическим значениям параметры - соответственно давление, удельный объём и температура. В таблице представлены результаты расчёта параметров водорода по уравнению (2) для температуры T = 290 К в диапазоне изменения давления P от 30 до 100 МПа. Из данных таблицы в частности следует, что для P = 85 МПа газовая постоянная R реального водорода превышает его значение для идеального газа практически в 1.5 раза. А это в соответствии с формулой (2) означает, что в заданном объёме при давлении P = 85 МПа и температуре T = 290 К реальная масса водорода меньше идеальной в 1.5 раза. Вместе с тем по данным фирмы Linde, это отличие в действительности может быть ещё больше, ибо фирменный баллон объёмом 0.4 м3 вмещает только 11 кг водорода при давлении 50 МПа и
температуре 290 К, а не 14.3 кг, как должно быть в соответствии с данными таблицы (см. строку 4).
Отсюда следует настоятельная необходимость экспериментальной проверки изменения параметров водорода в диапазоне значений давления от 30 до 100 МПа. Такая проверка необходима и для установления хода кривой инверсии, как совокупности точек с нулевым дроссельным эффектом. Возможное в соответствии с ходом кривой инверсии значительное повышение температуры водорода (до 25 К) при его дросселировании с давления 85 МПа до 50 МПа ухудшает условия заправки баллонов.
Таким образом, из представленных рассуждений следует, что для грамотного построения инфраструктуры длительного, надёжного и эффективного хранения водорода и эффективн
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.