Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
Министерство образования и науки Украины

Министерство образования и науки Украины

Национальный аэрокосмический университет им. М.Е. Жуковского & ldquo;

Харьковский авиационный институт & rdquo;

Кривцова Валентина Ивановна

УДК 661.961, 861.968

Теоретические и экспериментальные ПУТИ СОЗДАНИЯ СИСТЕМ ХРАНЕНИЯ И ПОДАЧИ водорода НА ОСНОВЕ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ ДЛЯ двигательных и энергетических установок

летательных аппаратов

05.07.05 двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Харьков 2001

Актуальность темы исследования.

Работа выполнена в Институте проблем машиностроения им. А.М. Подгорного Национальной академии наук Украины и в Академии пожарной безопасности Украины Министерства внутренних дел Украины.

Научный консультант доктор технических наук, профессор Абрамов Юрий Алексеевич, Академия пожарной безопасности Украины Министерства внутренних дел Украины, проректор по научной работе

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Коваленко Николай Дмитриевич, Институт технической механики Национальной академии наук Украины и Национального космического агентства Украины, заведующий отделом термогазодинамики двигательных установок;

· доктор технических наук, профессор Приходько Иван Михайлович, Харьковский военный университет Министерства обороны Украины, профессор кафедры № 52;

· доктор технических наук, профессор Габринець Владимир Алексеевич, Днепропетровский национальный университет Министерства образования и науки Украины, профессор кафедры двигателестроения.

Ведущая организация

· Государственное конструкторское бюро & ldquo; Южное & rdquo; им. М.К. Янгеля Национального космического агентства Украины, г.. Днепропетровск

Защита состоится 2 ноября 2001 в 14 часов на заседании

диссертационного совета Д 64.062.02 в Национальном аэрокосмическом университете им.М.Е. Жуковского & ldquo; Харьковский авиационный институт & rdquo; по адресу: 61070, г.. Харьков, ул. Чкалова, 17, ауд. № 307.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального аэрокосмического университета им. М.Е. Жуковского & ldquo; Харьковский авиационный институт & rdquo; по адресу: 61070, г.. Харьков, ул. Чкалова, 17.

Автореферат разослан 01.10.2001 г..

Ученый секретарь

диссертационного совета Крашаниця Ю.А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Водород является одним из высококалорийных топлив, потребление которого в силу уникальных теплофизических свойств неуклонно растет. Особое значение приобретает его использования в бортовых энергоустановках, в частности в двигательных и энергетических установках летательных аппаратов (ЛА). Однако эффективность использования водорода определяется не только его теплофизическими свойствами, но и характеристиками системы его хранения и подачи (СЗП). Применение на борту ЛА ССП водорода, используемых в наземных условиях, является не всегда эффективным вследствие их неудовлетворительных массогабаритных и эксплуатационных характеристик. Особенно эти недостатки проявляются при использовании водорода в продолжалось функционирующих двигательных и энергетических (ДУ и ЭУ) установках ЛА. В связи с этим для длилось функционирующих ДУ и ЭУ ЛА актуальным является сохранение водорода в твердых химических соединениях, в форме гидридов металлов и интерметаллидов. Впервые исследования по разработкам ССП водорода такого типа начали осуществляться сотрудниками ИПМаш НАН Украины под руководством А.М. Подгорного и И.Л. Варшавского с участием В.В. Соловья, П. Канила, А.И. Мищенко, В.В. Балибердина, Б.А. Трошенькина, А.А. Макарова и др.

Что касается создания металлогидридных установок на основе оборотных гидридов интерметаллидов необходимо отметить работы В.В. Соловья, Р.А. Андрей-евського, В.А. Поповича, А.И. Ивановского, Ю.Ф. Шмалько, Б. Тимошевского, С.Ю. Белякова, Н. Лебедя, Г.Ф. Романовского и др.

Работы Б.А. Трошенькина, А.Ю. Калекина, К. Щербины и др. позволили оценить существующий уровень разработки генераторов водорода с использованием веществ, реагирующих с водой.

Ряд задач, связанных с процессом Самораспространенный высокотемпературного синтеза интерметаллидов, решено А.Г. Мержанов, В.И. И тени, И.П. Боровинская, Ю.С. Найбороденко, а также А.В. Лапшиным, В.Е. Овчаренко, К. Шкадинським и А. Струнино.

Использование ССП водорода в автомобилях рассматривался в работах А.И. Ми-щенка, А.В. Белогубы, П. Канила.

Однако приведенные сведения о СЗП водорода с использованием твердых веществ при достаточно высоком научном уровне и глубине отдельных решений имеют частичный характер и не позволяют судить об эффективности их использования в ДУ и ЭУ ЛА, а зарубежные публикации имеют достаточно обозримом характер.

Таким образом, создание эффективных ССП водорода на основе твердых веществ для ДУ и ЭУ ЛА актуально и позволит решить проблему использования водорода в продолжалось функционирующих бортовых воднеспоживаючих ЕС. Особенностью создания таких ССП является то, что они должны иметь минимальные массогабаритные характеристики и энергопотребление при практически неограниченном времени сохранения исходного вещества.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнялась в соответствии с планами НИР ИПМаш НАН Украины в соответствии с Всесоюзной программы решения научно-технической проблемы 0.85.03 "Разработать и внедрить в народное хозяйство методы и аппараты защиты атмосферного воздуха от загрязнений вредными веществами" на 1986 - 1990 (задача 03.05. и5: "Провести приемочные испытания опытных металлогидридных установок для хранения, очистки, сжатия и подачи водорода") Координационным планом научно-исследовательских работ по проблеме "Водородная энергетика и технология" АН СССР в 1986-1990 гг. (1.9.7.2.2.3 "Исследование и разработка системы хранения и транспортировки водорода на основе интерметаллидных соединений для различных областей техники", 1.9 .7.3.2.5 "Исследование и разработка мЭтод, процессов и схем использования водное гидридных систем для решения задач энергетики, создание опытных образцов энергоустановок и систем аккумулирования и регенерации тепла ") НИР № 01870093010-89" Разработка технологии получения гидрореагуючих быстрореагирующий соединений (ГРС) и принципиальных схем генераторов водорода и выдача рекомендаций по их промышленного использования »; контракту № 8-4-13 / 13/93 / 10-94" Разработка электротермических двигателей и энергоустановок КА с металлогидридными системами хранения и подачи водорода "с Национальным космическим аг ентством Украины в рамках раздела Национальной космической программы Украины "Робот - 3"; постановлений ОФТП АН Украины №8, п. 54 от 03.12.90 и № 2 п. 9 от 05.03.96, направленных на разработку научных основ, методов и средств повышения эффективности энергоустановок на основе использования альтернативных энергоносителей и нетрадиционных источников энергии; постановлений ГКНТ Украины № 5 от 28.02.92 и № 62 от 01.04.94, направленных на разработку и создание образцов металлогидридных водородных аккумуляторов водорода для автономных энергоустановок мощностью до 50 кВт, использующих поно лювани энергоресурсы.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное обоснование путей создания систем хранения и подачи водорода на основе твердых веществ для ДУ и ЭУ продолжалось функционирующих ЛА. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

· провести анализ источников информации о бортовых систем хранения и подачи водорода с учетом их потенциальных возможностей для использования в продолжалось функционирующих ЭУ;

· выявить уровень изученности процессов, которые происходят в ССП водорода, находящегося в связанном состоянии, и обосновать перспективные направления организации этих процессов для повышения эффективности продолжалось функционирующих ДУ и ЭУ ЛА;

· теоретическим и экспериментальным путями определить комплекс термодинамических, кинетических, физико-химических и других характеристик и параметров различных оцес генерации водорода в ССП на основе твердых веществ, содержащих водород, ориентированных на длительное функционирование в ГУ и ЭУ ЛА;

· разработать математические модели, описывающие процессы получения водорода в ССП с разной организацией этих процессов;

· разработать обобщенные математические модели, определяющие свойства генераторов водорода в переходных режимах их работы;

· синтезировать обобщенные структурные схемы ССП водорода для ДУ и ЭУ продолжалось функционирующих ЛА;

· разработать рекомендации по использованию ССП водорода на основе твердых водневмистних веществ для ДУ и ЭУ ЛА.

Объектом исследования является ССП водорода для бортовых ЭУ и закономерности, связанные с организацией процессов генерации водорода.

Предметом исследования является ССП водорода на основе гидридов металлов и интерметаллидов, методы выделения водорода из них, их характеристики и параметры, а также особенности, связанные с использованием ССП водорода в ДУ и ЭУ ЛА.

Методы исследования. При решении сформулированной научной проблемы использовались: методы термодинамического анализа, методы стехиометрического, газохроматографического, маспектрометричного, рентгенометрических, химического и кондуктометрического анализа, математического анализа, теории дифференциальных уравнений в частных производных, теории автоматического управления, методы имитационного моделирования и теории планирования эксперимента, методы оптимизации, методы структурного анализа больших систем, теории надежности, методы математической статистики и т. д.

Научная новизна полученных результатов. В результате проведенных исследований решено актуальную научную проблему создания ССП водорода на основе твердых веществ для ДУ и ЭУ ЛА, ориентированных на длительное функционирование, и получены следующие новые научные результаты:

· обоснованы пути повышения эффективности ДУ и ЭУ ЛА, основанные на использовании ССП водорода на основе твердых веществ; впервые предложен метод выделения водорода из гидридов металлов, основанный на использовании Самораспространенный высокотоемпературного синтеза интерметаллидов; впервые изучены закономерности выделения водорода из гидридов металлов, основным из которых является то, что генерация водорода в ССП возможна за счет использования внутренней энергии процесса образования интерметаллидов;

· впервые экспериментальным путем решена задача идентификации закона, определяющего скорость генерации водорода в условиях Самораспространенный высокотемпературного синтеза;

· обобщены теоретические и экспериментальные данные о закономерностях, определяющих процессы генерации водорода в ССП на основе оборотных гидридов интерметаллидов соответственно возможности их использования для ДУ и ЭУ ЛА;

· экспериментальным путем решена задача идентификации закона, определяющего скорость генерации водорода в ССП на основе оборотных гидридов интерметаллидов;

· впервые экспериментальным путем выявлен механизм процессов генерации водорода в ССП с использованием ГРС; на основе фундаментального принципа максимума энтропии в сочетании с методами имитационного моделирования и теории планирования эксперимента получены математические модели, описывающие процессы генерации водорода;

· доказано идентичность процессов взаимодействия ГРС с водой в ССП водорода с химическим и физическим процессами кипения жидкости, открывает возможность использования математического описания этих процессов в критериальной форме;

· впервые определены количественную зависимость скорости генерации водорода в ССП на основе ГРС от давления;

· определены параметры генераторов водорода, основанных на использовании реакций гидролиза, при которых обеспечивается максимальный выход водорода;

· синтезированы структурные схемы ССП водорода для различных способов его получения и определены потенциальные характеристики и параметры этих схем относительно их использования в ДУ и ЭУ ЛА;

· впервые с использованием метода "нульвимирнои" баллистики получены обобщенные математические модели, определяющие свойства генераторов водорода для различных методов его получения в переходных режимах их работы и ориентированных на функния в составе ССП ДУ и ЭУ ЛА, а также предложены упрощенные аналитические зависимости для оценки быстродействия СЗП различного типа;

· разработаны рекомендации по выбору и использованию ССП водорода в ДУ и ЭУ ЛА.

Практическое значение полученных результатов. Разработанные методы получения водорода, а также комплекс математических моделей, описывающих процессы его поколения, в совокупности с системотехнических решениями, является теоретической базой для синтеза ССП водорода, ориентированных на их использование в ДУ и ЭУ продолжалось функционирующих ЛА. Оригинальные методы получения водорода и технические решения по их реализации защищены авторскими свидетельствами СССР и патентами Украины и России на изобретения.

Применение ССП водорода с использованием твердых веществ вполне снимает связанные с условиями хранения водорода ограничения на время функционирования ЕС ЛА.

Практические рекомендации и образцы металлогидридной техники внедрены в опытно-конструкторских и конструкторских разработках: ГКБ "Южное" - при создании РД нового поколения; в ВАО "Хартрон" - при создании космического аппарата многоцелевого назначения "Буран"; ГосНИИ ТБХП - при создании новых топлив и обеспечении техники безопасности при работе с ними; в ХВУ - в учебном процессе (дисциплина - "Ракетные двигатели"). Результаты исследований внедрены в практику конструирования металлогидридных систем в СКТБ ИПМаш НАН Украины.

Результаты исследований могут быть также распространены на бортовые СЗП объектов различного назначения (автомобильный транспорт, морской и речной транспорт, аварийно-спасательные морские комплексы, функционирующие в автономном режиме).

Личный вклад соискателя. При непосредственном участии автора разработана универсальная экспериментальная установка для исследования процессов генерации водорода на основе гидролиза как в нормальных условиях, так и в условиях повышенного давления [2, 11]. Разработаны и созданы экспериментальные стенды для исследования процессов генерации водорода с использованием Самораспространенный высокотемпературного синтеза.

Личноавтором определены термодинамические, внутренние и кинетические характеристики процесса генерации водорода с использованием гидрореагуючих веществ [8, 12, 20].

Непосредственно автором с участием В.Б. Поди, Д.В. Кузьмина решались вопросы, связанные с реализацией процесса генерации водорода с применением реакции гидролиза на практике [9, 18].

Автором вместе с В.В. Соловьем и Ю.О.Абрамовим обобщенно теплофизические и термодинамические характеристики аккумуляторов водорода на основе оборотных гидридов интерметаллидов и получено их значение относительно бортовых систем хранения [3,13,15,16,23,31].

Автором вместе с А.М. Подгорным и В.В. Соловьем предложен новый метод получения водорода из гидридов с использованием Самораспространенный высокотемпературного синтеза интерметаллидов [41,42]. Автором вместе с В.В. Соловьем теоретическим и экспериментальным методами определены кинетические характеристики процесса генерации водорода с использованием Самораспространенный высокотемпературного синтеза [34]. В получении численных результатов и оценок, связанных с реализацией процессов генерации водорода на практике, участвовали М.И. Кошкин, В.Л. Джеппа, М.В. Белан, А.В. Бастеев и др. [5,25].

Концептуальные вопросы относительно методов получения водорода и их аппаратурной реализации при разработке изобретений [36-45] принадлежат автору. Кроме того, автору принадлежит обоснование сути изобретений и их эффективности.

Автором вместе с Ю.А. Абрамовым разработаны математические модели, описывающие переходные режимы работы газогенераторов различного типа [22,26-29,32], и определен уровень их пожаровзрывоопасности [21,30,35].

Обоснование выбора ССП водорода для ДУ и ЭУ ЛА принадлежит автору [14,17,24,33,]. Федорович О.Е. участвовал в получении количественных показателей.

Автору принадлежит обоснование использования СЗП разного типа водорода в эндотермических аэростатах [1].

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на: Международной конференции "Тепломассообмен - 88", г.. Минск, 1988 г .; V Всесс ней конференции «Реактор -10", г.Тольятти, 1989 г .; Х симпозиуме по горения и взрыва, п. Черноголовка, 1992 г .; IV Украинский - российско - китайской симпозиуме космической науки и техники, м. Киев, 1996 г .; Международной конференции "Новейшие процессы и материалы в порошковой металлургии", г.. Киев, 1997 г .; ХIV Всероссийской научно-практической конференции, г.. Москва, 1997 г .; III научно - практической конференции "Пожарная безопасность", г.. Киев, 1997 г .; Международной научной конференции "Нетрадиционные источники, передающие системы и преобразователи энергии", г.. Харьков, 1997 г .; III Украинский научной конференции "Горение, баллистика, механика соударений", г.. Шостка, 1997 г .; Международном семинаре - совещании "Тепловые трубы, тепловые насосы, двухфазные системы терморегулирования в специальной технике», п. Рыбачье, 1998 г .; Научно - практической конференции в честь 70 - летия ХИПБ МВД Украины "Проблемы и перспективы обеспечения пожарной безопасности в Украине", г.. Харьков, 1998 г .; The Fifth Сhino-russian Symposium on Space Science and Technology / The First International forum on Astronautics and Aeronautics, Harbin Institute of Technology, Harbin, P. R. China, 2000; Hydrogen Power - Theoretical and Engineering Solutions International Sysposium, Stralsund - Germany, 2001; VI Международной конференции "Гидроаеромеханика в инженерной практике", г.. Харьков

2001

Публикации. По теме диссертации опубликовано: 1 монография, 34 научные статьи, из них 31 - опубликованы в изданиях, входящих в Перечень ВАК Украины, 10 авторских свидетельств и патентов на изобретения и 14 тезисов докладов на научных симпозиумах и конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, основной части из 6 глав, заключения, списка 346 использованных источников, 5 приложений, содержит 420 страниц, в том числе 298 страницы основного текста, 120 рисунков, 31 таблицу, 30 страниц приложений.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

В первом разделе приведен анализ использования водорода и его СЗП дляфункционирующих ЛА, есть жесткие ограничения по способам хранения водорода, массогабаритных характеристик и энергозатратах на его выделение. Кроме того, необходимо учитывать их быстродействие, уровень пожаровзрывоопасности, состояние разработки и тому подобное.

Наиболее изученными и широко используемыми являются газобаллонные и криогенные ССП водорода. Одним из основных недостатков, ограничивает применение газобаллонных ССП на борту продолжалось функционирующих ЛА, является то, что с увеличением полного импульса тяги ДУ габаритные размеры и масса баллонов для содержания необходимого количества водорода резко увеличиваются (рис. 4).

Рис.3. Классификация ССП водорода

Рис. 4. Зависимость суммарной массы (масса РТ и баллонов) от полного импульса тяги двигателя при использовании газобаллонной

Загрузка...

Страницы: 1 2 3 4