Використання металогібридних акумуляторів водню на борту транспортного засобу

1.5 Теплотехнічні характеристики водню

При виконанні науково дослідних і досвідно-конструкторських розробок у галузі водневої енергетики необхідно володіти даними, які дають уяву про теплотехнічні властивості водню.

У цьому розділі наведені дані, які свідчать про рівень енергії звязку водню з різноманітними елементами теплоти випаровування, конверсії та згорання водню, а також інформацію щодо його тепло утворюючих характеристик.

Таблиця 1.1 - Теплотехнічні властивості водню.

Показники	Значення показника
Енергія звязку електрона з ядром, еВ	13,595
Енергія звязку протона з нейтроном у дейтерії, МеВ	2,23
Енергія дисоціації водню у розчині: гомолітичне розщеплення на атоми, кДж/кмоль кДж/кг гетеролітичне розщеплення на іони, кДж/кмоль кДж/кг	435,0 215,8 155,0 76,9
Теплота утворення водню з атомів ?Н_298,16, кДж/кмоль кДж/кг	-432329 214481
Теплота випаровування при ?Нвип, кДж/кмоль кДж/кг При Т=20 К, Р=0,1 МПа, кДж/кмоль кДж/кг	917,0 455,0 947,4 470,0
Теплота переходу орт оводню у параводень при 20.4 К, кДж/кмоль кДж/кг	1417,68 703,32
Теплота згорання, кДж/кг вища Qв нижча Qн	135377 114484
Теплопродуктивність водневоповітряної суміші, стехіометричного складу (б=1), кДж/кг вища Нв нижча Нн	3924 3318

Температурна залежність теплоти випаровування нормального водню може бути описана рівнянням:

?Н_вип=456,3-0,56 (Т-16,6) ², (1.1)

Це рівняння придатне для використання в інтервалі температур 14…24 К. Теплоту випаровування орто - і пара складу в області температур нижче нормальної точки кипіння можна розрахувати згідно з рівнянням.

?Н_вип= ?Н_вип (n•Н₂) +1,4+2,9Х², (1.2)

де ?Н_вип_-теплота випаровування, кДж/кг;

Х - молярна частка ортомодіфікації.

При розрахунках процесів горіння водню в розробці заходів, які забезпечують пожежо- та вибухобезпечність його використання, необхідно оперувати даними про концентраційні межі розповсюдження полумя, під якими розуміють граничні концентрації пального в суміші, коли можливе розповсюдження полумя [4]. Їх визначено фізико - хімічними властивостями горючої суміші, наявністю хімічно активних або інертних домішок. Вони залежать від температури, тиску, теплоємності компонентів і геометричних характеристик реакційного простору.

Розрізняють верхню та нижню концентраційні межі розповсюдження полумя. Верхня межа відповідає суміші з максимальною концентрацією пального, а нижня - з мінімальною.

Таблиця 1.2 - Середня теплоємність газоподібного водню C_pm при тиску Р=0,1МПа і різних температурах.

Т, К	C_pm	Т, К	C_pm
	кДж/ (кг•К)	кДж/ (м³•К)		кДж/ (кг•К)	кДж/ (м³•К)
273	14, 195	1,277	1873	15,294	1,375
373	14,354	1,291	1973	15,383	1,383
473	14,421	1,297	2073	15,472	1,392
573	14,446	1,299	2173	15,561	1,399
673	14,477	1,302	2273	15,648	1,408
773	14,508	1,305	2373	15,736	1,414
873	14,541	1,308	2473	15,819	1,423
973	14,587	1,312	2573	15,902	1,430
1073	14,641	1,317	2673	15,983	1,437
1173	14,706	1,322	2773	16,064	1,445
1273	14,776	1,329	2873	16,141	1,453
1373	14,850	1,336	2973	16,215	1,460
1473	14,934	1,343	3073	16,312	1,468
1573	15,023	1,351	3173	16,383	1,474
1673	15,113	1,359	3273	16,454	1,481
1773	15, 202	1,367

Таблиця 1.3 - Повна теплоємність Н_п молекулярного водню при різних температурах.

Т, К	Н_п	Т, К	Н_п
	кДж/кмоль	кДж/кг		кДж/кмоль	кДж/кг
300	196	97	3200	96399	47818
400	3104	1540	3300	100162	49685
500	6029	2991	3400
600	8956	4442	3500
700	11899	5902	3600	111577	55347
800	14854	7368	3700	115422	57255
900	17829	8844	3800	119286	59171
1000	20834	10335	3900	123169	61098
1100	23876	11844	4000	127072	63033
1200	26957	13372	4100	130992	64978
1300	30079	14921	4200	134931	66932

Перерахунок концентрації пального в суміші (С_н, С_в, %) на коефіцієнт надлишку окиснювача (б) та зворотну процедуру здійснюють згідно з рівняннями (3.3)

б= [ (100/С) - 1] /L_мС=100/ (1+ б L_м), (1.3)

де С - концентрація пального в суміші, %

L_м_-мольний стереометричний коефіцієнт (один моль окиснювача на один моль пального).

Концентраційні межі розповсюдження полумя у багато компетентних горючих сумішах залежать від концентрації складових і їх розраховують за допомогою формули

С_н=100/, (1.4)

де, С_н_-сумарна концентрація пального в багато компонентній горючій суміші на нижній концентраційній межі, %

С і С_н_-концентрація і-го компонента суміші на нижній межі,%

Таблиця 1.4 - Характеристики горіння водню

Показники	Значення показника
Стехіометричний коефіцієнт на 1кг Н₂: масовий (L_о): кг повітря кг кисню обємний (L_о): кг повітря кг кисню	34,25 4,0 2,38 0,50
Вміст водню у воднево - повітряній суміші стереометричного складу С_стех, %	29,53
Паропродуктивність воднево - повітряній суміші стереометричного складу Т_жак, К	2235
Температура полумя суміші (293К, 0,1 МПа), К суміш водню з повітрям (31,6% Н2); суміш водню з киснем (73,0% Н2);	2040 2525
Самозаймання воднево - повітряної суміші при Тсв, К	783
Концентрація межі розповсюдження полумя сумішей водень - окиснювач, б% воднево - повітряна суміш: нижня, С_н₍_б_н₎ верхня, С_в₍_б_у₎ воднево - киснева суміш: нижня, С_н₍_б_н₎	4,0 75,0 3,50
Показники	Значення показника
верхня, С_в₍_б_у₎	94,0
Мінімальний тиск, при якому можливе розповсюдження полумя, Р_мін, Па: у воднево - повітряній суміші у воднево - кисневій суміші	29,53 1500 150
Швидкість детонаційного розповсюдження полумя V_д (290К, 0,1МПа), м/с: у повітрі у кисні	2055 2819
Концентраційні межі детонаційного горіння суміші водень - окиснювач (293К, 0,1МПа), %: для воднево-повітряній суміші: нижня С_н верхня С_в для воднево-кисневої суміші: нижня, С_н	18,3 74,0 15,5
Швидкість зниження рівня рідини в ємності (293К, 0,1МПа), см/хв: від випаровування без горіння при горінні	2,5-5,0 3,0-6,6
Швидкість зниження рівня рідини в ємності (293К, 0,1МПа), см/хв: від випаровування без горіння при горінні	2,5-5,0 3,0-6,6

Таблиця 1.5 - Концентраційні межі розповсюдження полумя в сумішах протію й дейтерію з повітрям і киснем при Т=293 К і Р=0,1 МПа [12]

Cуміш	Н_2,% (об.)	D₂, % (об.)
	С_н_б_н₎	С_в₍_б_в₎	С_н	С_в
Н₂+повітря	EMBED Equation.2 4.2	75,0 (0,14)
Н₂+О₂	EMBED Equation.2 4.5	EMBED Equation.2 95.0	EMBED Equation.2	EMBED Equation.2

Таблиця 1.6 - Нижня концентрація межа розповсюдження полумя С_н у сумішах Н₂+СН₄+повітря та Н₂+Не+повітря при Т 293 К і Р= 0,1 Мпа

Складові,% (об)	С_н, % (об)	Умови проведення експерту
Н₂	СН₄
	0	4,1	Труба: l=183, F=30,48 см²; поширення полумя вверх
90	10	4,1
75	25	4,1
50	50	4,6
25	75	4,7
0	100	5,6
100	0	4,1	Труба: l=183, F=30,48 см²; запалення з відкритого кінця; поширення полумя вверх
75	25	4,7
50	50	6,1
25	75	8,2
10	90	10,8
0	100	12,5
Складові,% (об)	С_н, % (об)	Умови проведення експерту
Н₂	СН₄
100	0	0	Труба: l=25, d=4 см²; поширення полумя вниз
63,9	36,1	11,9
41,5	58,5	13,2
18,4	81,6	14,7
0	100	15,9
Н₂	Не
100	0	4,2	Труба: l=183, d=5,08 см²; нижній кінець труби відкритий; розповсюдження полумя вверх
58,1	41,9	7,1
27,9	72,1	16,6
19,3	80,7	24,9
10,7	89,3	51,3
8,7	91,3	69,8

Содержание