Водородная энергетика

Водород — самый распространённый элемент во Вселенной (92%). Он преимущественно составляет межзвездное вещество, формирует основную массу звезд. Наше Солнце, по меньшей мере, наполовину состоит из водорода. Собственно, звезды светят благодаря непрерывному термоядерному «сгоранию» водорода в недрах звезд и превращению его в инертный гелий. Своим существованием мы обязаны энергии сгорания водорода на Солнце. И когда запасы солнечного водорода иссякнут, жизнь на Земле станет невозможной — и потому, что погаснет наше светило, и потому, что не станет воды. Правда, иссякнут они, по заявлению ученых, лишь через 30 миллиардов лет. Так что на наш век хватит.

В земной природе встречается преимущественно в связанном виде (вода, минералы, уголь, нефть, живые существа, органические вещества). В свободном виде небольшие количества водорода иногда выбрасываются вулканами, в результате диффузии рассеиваясь в атмосфере. А так как средняя скорость теплового движения молекул водорода из-за их малой массы близка ко второй космической, то из слоев атмосферы эти молекулы улетают в космическое пространство.

Свойства водорода

При обычных условиях водород — газ без цвета и запаха, почти в 15 раз легче воздуха. Обладает очень высокой теплопроводностью, сравнимой с теплопроводностью металлов. Это происходит из-за легкости молекул водорода и, следовательно, большой скорости их движения. Водород хорошо растворяется в некоторых металлах: в одном объеме палладия, например, растворяется до 900 объемов водорода. В соотношении 2:1 с кислородом образует взрывчатый гремучий газ. Температура сгорания водорода чрезвычайно высока — 2800^оС. Водород является великолепным восстановителем.

Применение и получение водорода сегодня

Широкое применение водород нашел в химической промышленности —при синтезе аммиака, изготовления соляной и метиловой кислот, получения метилового спирта. В пищевой промышленности его используют для превращения жидких жиров в твердые (их гидрогенизации). Учитывая «невесомость» водорода, им заполняли и заполняют оболочки летательных аппаратов легче воздуха. Сначала это были воздушные шары, позднее — аэростаты и дирижабли, сегодня (вместе с гелием) — метеорологические зонды. Высокая температура горения, а в сочетании с электрической дугой она достигает 4000^оС, обеспечивает расплав даже самых тугоплавких металлов. Поэтому кислородно-водородные горелки используют для сварки и резки металлов. В цветной металлургии восстановлением водородом получают особо чистые металлы из оксидов. В космической технике отечественная ракета-носитель «Энергия» с успехом использует водород в качестве топлива.

Преимущества водорода как топлива по сравнению с бензином

· Неисчерпаемость. В Мировом океане водорода содержится 1,2×10¹³ т., дейтерия — 2×10¹³ т. Суммарная масса водорода составляет 1% общей массы Земли, а число атомов — 16%. Особенно важен здесь тот фактор, что при сгорании водород превращается в воду и полностью возвращается в круговорот природы.

· Весовая теплотворная способность водорода (28630 ккал/кг) в 2,8 раза выше по сравнению с бензином.

· Энергия воспламенения в 15 раз меньше, чем для углеводородного топлива.

· Максимальная скорость распространения фронта пламени в 8 раз больше по сравнению с углеводородами.

· Излучение пламени в 10 раз меньше по сравнению с пламенем углеводородов.

· Экологичность. При использовании водорода как топлива исключается возможность усиления парникового эффекта, не выделяются вредные вещества (автомобильный двигатель выбрасывает 45 токсичных веществ, в том числе и канцерогены), нет опасности образования застойных зон водорода: он легко улетучивается.

Отрицательные качества водорода: это низкие плотность и объемная теплотворная способность, более широкие пределы взрываемости и более высокая температура воспламенения по сравнению с углеводородами. Применение концепции энергоаккумулирующих веществ позволит снизить негативное влияние этих недостатков водорода как топлива, которые заметно перекрываются его достоинствами.

Водород вообще можно считать универсальным топливом, поскольку он обладает абсолютной экологической чистотой, может заменить бензин, дизельное топливо и мазут в тепловых двигателях (автомобильных, тракторных, комбайновых, локомотивных, судовых, вспомогательных и др.), пригоден для всех видов тепловых двигателей: поршневых с воспламенением от искры и сжатия, поршнетурбинных, во всех типах турбоустановок, двигателя Стирлинга, двигателей прямой реакции, для бытовых целей.

Принцип работы топливного элемента:

Водородный топливный элемент представляет собой устройство, преобразующее химическую энергию реакции соединения водорода с кислородом в электричество.

1. Водород поступает на анод топливного элемента, где атомы разлагаются на электроны и протоны. Для ускорения процесса используют катализатор.

2. Электроны поступают в электрическую цепь, создавая ток.

3. Протоны проходят через полимерную электролитическую мембрану.

4. Кислород (из окружающего воздуха) поступает на катод и соединяется с протонами и электронами водорода, образуя воду.

Побочными продуктами реакции являются тепло и водяной пар.

Содержание.

1. Введение. Развитие энергетики в мире.

Раздел 1. Техническая термодинамика.

1.1. Предмет термодинамики.

1.2. Основные термодинамические параметры состояния.

1.3. Виды и формы обмена энергией.

1.4. Термодинамическая система. Термодинамическое равновесие.

1.5. Теплота и работа.

1.6. Уравнение состояния идеальных газов.

1.7. Газовая постоянная.

1.8. Смесь идеальных газов.

1.9. Первый закон термодинамики.

1.10. Обратимые и необратимые процессы.

1.11. Аналитическое выражение первого закона термодинамики.

1.12. Энтальпия.

1.13. Теплоемкость газов. Энтропия.

1.14. Удельная (массовая), объемная и молярная теплоемкость.

1.15. Теплоемкость при и . Уравнение Майера.

1.16. Средняя теплоемкость.

1.17. Термодинамические процессы идеальных газов.

1.18. Второй закон термодинамики.

1.19. Круговые термодинамические процессы.

1.20. Термодинамический КПД и холодильный коэффициент циклов.

1.21. Прямой обратимый цикл Карно.

1.22. Обратный обратимый цикл Карно.

1.23. Реальные газы. Водяной пар.

1.24. и диаграммы водяного пара.

1.25. Классификация холодильных установок, хладагенты и требования к ним.

1.26. Цикл воздушной холодильной установки.

1.27. Паровые компрессионные холодильные установки.

1.28. Циклы паротурбинных установок. Циклы Ренкина на насыщенном и перегретом паре.

Раздел 2. Теплообменные процессы

2.1. Основные виды переноса теплоты.

2.1.1. Передача тепла теплопроводностью. Закон Фурье.

2.2. Теплопроводность плоской стенки

2.2.1. Теплопроводность цилиндрической стенки трубы.

2.3. Конвективный теплообмен. Виды движения теплоносителей.

2.4. Критериальные уравнения конвективного теплообмена.

2.5. Динамический и тепловой пограничные слои.

2.6. Лучистый теплообмен. Поглощение, отражение и испускание лучистой энергии.

Раздел 3. Теплообменные аппараты.

3.1. Классификация теплообменных аппаратов. Теплоносители.

3.2. Расчет рекуперативных Теплообменных аппаратов.

Раздел 4. Традиционные способы выработки тепловой и электрической энергии.

4.1. Энергетика и электрогенерирующие станции

4.2. Типы тепловых электростанций. Классификация.

4.3. Технологический процесс преобразования химической энергии топлива в электроэнергию на ТЭС

4.4. Преимущества и недостатки ТЭС

4.5. Ресурсы, потребляемые АЭС, ее продукция, отходы производства

4.6. Представление о ядерных реакторах различного типа

4.7. Классификация атомных ректоров

4.8. Технологические схемы производства электроэнергии на АЭС с реакторами типов ВВЭР и РБМК

4.9. Паровые турбины. Устройство паровой турбины

4.9.1. Проточная часть и принцип действия турбины

4.9.2. Конструкция основных узлов и деталей паровых турбин

4.9.3. Типы паровых турбин и область их использования

4.9.4. Основные технические требования к паровым турбинам и их характеристики

4.10. ГТУ. Устройство и принцип действия.

4.11. ПГУ. Их классификация. Достоинства и недостатки

4.12. Котельные установки. Общие понятия и определения

4.13. Классификация котельных установок.

4.14. Каркас и обмуровка котла.

4.15. Тепловой и эксергетический балансы котла. Общее уравнение теплового баланса

4.16. Схемы подачи воздуха и удаления продуктов сгорания

4.16.1. Естественная и искусственная тяга. Принцип работы дымовой трубы.

4.17. Сепарационные устройства

4.18. Пароперегреватели

4.19. Водяные экономайзеры КУ. Назначение, конструкция, виды

4.20. Воздухоподогреватели КУ. Назначение, конструкция, виды

4.21. Топливо, состав и технические характеристики топлива Понятие условного топлива, высшей и низшей теплоты сгорания

Раздел 5. Теплоснабжение.

5.1. Классификация систем теплоснабжения и тепловых нагрузок

5.2. Тепловые сети городов

5.3. Теплоэлектроцентрали

5.4. Преимущества раздельной и комбинированной выработки электроэнергии и тепла

Раздел 6. Нагнетатели

6.1. Классификация нагнетателей. Области применения

6.2. Производительность, напор и давление, создаваемые нагнетателем

6.3. Мощность и КПД нагнетателей. Совместная работа насоса и сети.

Раздел 7. Двигатели внутреннего сгорания.

7.1. Классификация двигателей внутреннего сгорания.

7.2. Принцип работы четырехтактного двигателя

7.3. Принцип работы двухтактного двигателя

7.4. Индикаторная диаграмма

7.5. История развития и параметры работы ДВС

7.6. Индиккаторная диаграмма

Раздел 8.

8.1. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

8.2. Прямое преобразование солнечной энергии

8.3. Преобразование солнечной радиации в электрический ток

8.4. Гидроэнергетика

8.5. Основные принципы использования энергии воды

8.6. Гидроэлектростанции

8.7. Энергия волн. Энергия приливов (Приливные электростанции)

8.8. Преобразование тепловой энергии океана в механическую

8.9. Ветрогенераторы. Устройство, категории, типы. Преимущества и недостатки.

8.10. Приливные электростанции

8.11. Водородная энергетика

Дата добавления: 2014-01-06