XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Энергия на водороде
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Природное топливо не безгранично, современное энергообеспечение может оказаться не решенными вопросами. Решение этой проблемы — альтернативные источники энергии, которые представляют собой комплекс способов добычи энергии из возобновляемых или практически неисчерпаемых ресурсов. Каждый день специалисты занимаются поиском новых видов топлива для замены традиционных источников. Мы предлагаем вам наш проект на тему «Использование водорода для генерирования электрической энергии» имеет место для рассмотрения. Тема нашего проекта возникла после
Тема нашего проекта «Использование водорода в ДВС как источник энергии для получения электроэнергии актуальна, так как рассматриваем использование альтернативного источника энергии для охраны окружающей среды и бережного отношение к энергоресурсам.
Производственная проблематика:
Гипотеза: мы предполагаем, что можно использовать водород в предприятиях для технического и технологического совершенствования генерирования энергии в ДВС, для этого предлагаем 3Д проект ДВС машины.
Цель: предлагаем использование водорода для работы ДВС.
Для достижения нашей цели были поставлены и решены следующие задачи:
1.Изучили теорию для работы ДВС на водороде;
Предложенное решение: создать модель выработки водорода из воды и 3Д проект машины, который использует энергию водорода для образования энергии.
Методы исследования:
1.Анализ литературы по данному вопросу;
2.Проектирование и конструирование;
3. Проведение расчетов по эффективности нашего проекта;
4.Работа с макетом и 3д моделью.
Ожидаемый эффект от внедрения: после проведенных расчетов по использованию полученной энергии пришли к выводу, что есть экономическая выгода внедрения нашего проекта в действие.
1. Принцип работы ДВС
1(а) История создания ДВС: (Рис-1)
Попытки создания ДВС начались намного раньше, чем вы можете себе представить, — ещё в XVII веке. В 1678 году голландский математик Христиан Гюйгенс создал примитивный ДВС, работающий… на порохе. Идея получила развитие: экспериментаторы в различных странах шли по схожему пути, но далеко не все из них попали в историю.
Доподлинно известно, что в 1794 году Робертом Стритом был запатентован двигатель внутреннего сгорания на жидком топливе. Построен первый рабочий прототип. В 1807 году француз Нисефор Ньепс разработал твердотельный ДВС, работающий на порошке пиреолофора. С прототипом лично ознакомился Наполеон Бонапарт. В том же году Франсуа Исаак де Риваз создал поршневой ДВС, работающий на газообразном водороде — этот мотор получил поршневую группу и искровое зажигание.
Многие изобретатели приложили руку к сознанию двигателя внутреннего сгорания, но первым коммерчески успешным проектом стало детище французского изобретателя из Бельгии Жана Этьена Ленуара. К 1864 году он продал свыше 1 400 своих двигателей и неплохо на этом нажился.
Первый автомобильный ДВС в привычном понимании был создан в 1885 году Карлом Бенцем — мотор использовался на автомобиле Benz Patent-Motorwagen.
1(б) Принцип работы ДВС ( Рис-2) основана на физическом эффекте теплового расширения газов, которое образуется в процессе сгорания топливовоздушной смеси внутри цилиндров двигателя под давлением и
основана на преобразовании энергии вспышки топлива — тепловой энергии, освобождённой от сгорания топлива, в механическую.
Принцип работы в четырёхтактном двигателе процесс работы состоит из четырёх тактов:
-
Впуск. При перемещении поршня от верхней мёртвой точки к нижней мёртвой точке создаётся разряжение рабочей камеры и происходит открытие впускных клапанов. В цилиндр засасывается горючая смесь. Когда поршень доходит до нижней мёртвой точки, впускные клапаны закрываются.
-
Сжатие. При перемещении поршня от нижней мёртвой точки к верхней мёртвой точке происходит сжатие горючей смеси, вследствие этого увеличивается давление в камере и повышается температура горючей жидкости. Когда поршень доходит до верхней мёртвой точки, срабатывает свеча зажигания, которая воспламеняет горючую смесь.
-
Рабочий ход или расширение. Происходит пик сгорания горючей смеси. Выделяется много тепла, повышается температура газов продуктов сгорания и давление в цилиндре. Под давлением поршень движется вниз к нижней мёртвой точке и через шатун раскручивает коленчатый вал.
-
Выпуск. При перемещении поршня от нижней мёртвой точки к верхней мёртвой точке распределительный вал открывает выпускной клапан и поршень выдавливает отработанные газы. После выпуска отработанных газов выпускной клапан закрывается.
-
Применение таких ДВС используют практически во всех автомобилях. Работа ДВС состоит из четырех тактов: впуск топливовоздушной смеси, сжатие смеси, рабочий ход при сгорании смеси, выпуск отработанных газов.
-
КПД бензинового ДВС находится в пределах от 20 до 25%.
Формула расчета КПД
2. Принцип получения водорода из воды: (Рис-3)
Вода – слабый электролит, поэтому электролиз чистой, дистиллированной воды протекает медленно или не идёт вовсе. Для ускорения процесса в воду добавляют сильный электролит, увеличивающий проводимость электрического тока. Электролит выбирается так, чтобы исключить конкуренцию между катионами электролита и катионами воды (H+). В противном случае водород не будет произведён. Чтобы исключить конкуренцию, необходимо подобрать электролит, катионы которого будут иметь меньший электродный потенциал, чем H+ воды.
Получения водорода из воды основан на электролизе — физико-химическом процессе, при котором под действием постоянного электрического тока дистиллированная вода разлагается на кислород и водород.
Химическая формула анод: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e–; катод: 4H+ + 4e– → 2H2
3. Принципы работы техники на водороде:
3 (а) Работа электродвигателя на водороде (Рис-4)
Водородные топливные элементы. Водород и кислород вступают в электрохимическую реакцию и производят электричество и побочный продукт. Это электричество затем используется для питания электродвигателя, который и приводит в движение транспортное средство.
Водород поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника.
Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.
3 (б) Работа двигателя внутреннего сгорания на водороде (Рис-5)
Внутреннее сгорание топлива. В этом случае водород сжигается в цикле внутреннего сгорания, аналогично бензину или дизельному топливу.
4.Описание нашего проекта:
4 (а) 1 часть нашего проекта получение водорода из воды: (Рис – 6)
1. Изучили литературу по данной теме и технику безопасности при электролизе водорода;
2. Подобрали необходимые материалы (пластины из стали, провода из меди сечением 0,8 см2);
3. Составили схему нашего проекта;
4. Подобрали соответствующие приборы;
5. Провели расчеты;
6. Провели эксперимент по получению водорода, в ходе чего получили ожидаемый результат;
7. Собрали водород в стеклянную колбу;
4 (б) 2 часть нашего проекта создание 3Д машины: (Рис-7)
-
Изучили необходимую литературу по 3-Д проектированию;
2. Создали 3д модели всех главных частей;
3. Создали для каждой модели текстуру;
4. Изучили работу в программе 3Д для проекта («BLENDER 3D»);
5. Cделали генератор водорода;
6. Расставили все модели на территории фабрики;
7. Эмитировали работу генераторных блоков;
8. Импортировали все модели в игровой двигатель (Unreal Engine 5);
9. Написали программу для передвижения при помощи текстов;
10. Оптимизировали программу и запустили в действие;
5. Проведенные расчеты:
Удельная теплота сгорания водорода – 120 МДж/кг ,т. е при сгорании одного килограмма водорода выделяется 120 МДж энергии.
Удельная теплота сгорания бензина – 44 МДж/кг ,т. е при сгорании одного килограмма бензина выделяется 44 МДж энергии.
Мы считаем, что экономнее использовать водород в 2.7 раз.
6 (а) Основные преимущества нашего проекта
1.Повседневность и доступность. Водород можно собирать и использовать каждый день.
2.Неисчерпаемость.
3.Экологичность. Безопасность для окружающей среды. Экологическая чистота.
4. Доступность основных составляющих материалов.
5. Выгода. Постоянно снижающаяся себестоимость.
6 (б) Среди недостатков использования энергии водорода выделяем:
1. Нестабильность, опасность.
2. Необходимость в аккумулировании энергии.
7. Вывод: при выполнении исследовательской работы поставленная гипотеза подтвердилась, используя водород можно генерировать энергию. Поставленную цель выполнили, при решении поставленных задач:
1.Изучили необходимую научную и техническую литературу по учебникам, книгам и сайт интернета.
2.Подобрали необходимые материалы и приборы для реализации нашего проекта.
3.Создали модель двигателя, которая использует энергию водорода для выработки энергии.
4.Собрали макет рабочего двигателя.
5.Провели собственные испытания. Конечный результат – получили энергию от водорода.
6. Изучили теорию и программу для 3Д проекта машины.
7. При выполнении работы соблюдали все правила ОТ.
Экономический эффект использования данного проекта при внедрении в промышленном масштабе приведет к дополнительной выработке энергии.
8. Провели расчеты по внедрению нашего проекта в действительность минимизация себестоимости и сроков окупаемости.
9. При выполнении работы выяснили, что наш проект можно внедрить для получения дополнительной энергии, для работы ДВС Он позволяет технически и технологически совершенствовать подачу энергии для ресурсосбережения.
10.Мы предлагаем экологически чистый проект, который имеет возможность дальнейшего совершенствования.
8. Литература:
1. Двигатель внутреннего сгорания — Википедия свободная энциклопедия;
2. Сайт –интернета
https://www.autonews.ru/news/6218b1ce9a79479d82081200?from=cop
.Физика 9 класс, Е.М. Перышкин, Е.М.Гутник .2018 г.ДРОФА.
9. Приложение
Рис-1
Первый автомобильный ДВС в привычном понимании был создан в 1885 году Карлом Бенцем — мотор использовался на автомобиле Benz Patent-Motorwagen
1. Клапан для подачи горючей смеси
2. Клапан для удаления отработанных газов.
3. Поршень.
4. Шатун.
5. Коленчатый вал.
6. Свеча для воспламенения горючих газов в цилиндре
Рис-2
Рис- 3
Рис-4
Рис - 5
Рис – 6 Работа над проектом -- электролизная ванна
Рис - 7 Работа над 3Д проектом