Повышение эффективности тепловозов путем замещения части дизельного топлива водородом с использованием бортового алюмоводородного генератора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Мишкин Алексей Анатольевич

• Мишкин Алексей Анатольевич
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Мишкин Алексей Анатольевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ И ВОЗМОЖНОСТЕЙ 17 ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДОРОДА НА ТРАНСПОРТЕ

1.1. Основные проблемы и недостатки использования водорода на 17 транспорте

1.2. Отечественный и зарубежный опыт применения водородного 23 топлива на автономном тяговом подвижном составе

1.3. Анализ преимуществ и недостатков существующих методов и 30 способов получения водорода в качестве применения моторного топлива

1.4. Возможности применения водорода в рабочем процессе 35 транспортных дизельных двигателей

1.5. Перспективы применения алюминия для получения водорода на 43 борту локомотива

1.6. Выводы по первой главе

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ 51 ЭНЕРГОУСТАНОВКИ ТЕПЛОВОЗА НА ДИЗЕЛЬНОМ ТОПЛИВЕ С ДОБАВКАМИ ВОДОРОДА И РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА БОРТОВОГО АВГ

2.1. Теоретическое обоснование исследования

2.2. Методика расчета энергетических характеристик смесевого топлива 53 при работе энергоустановки тепловоза на топливно-водородной

смеси

2.3. Методика расчета выделившейся теплоты при сгорании дизельного 63 топлива с добавками водорода

2.4. Расчет индикаторных и эффективных показателей энергоустановки

2.5. Исходные данные и расчетные показатели рабочего цикла

дизельного двигателя K6S310DR тепловоза ЧМЭ3 при работе на номинальном режиме

2.6. Расчет и установление необходимых добавок водорода по режимам 70 работы локомотива

2.7. Зависимости расхода и выхода компонентов процесса гидролиза 73 алюминия от режимов работы энергоустановки маневрового тепловоза

2.8. Расчетная оценка влияния добавок водорода на уровни выбросов 83 вредных веществ энергоустановки локомотива

2.9. Выводы по второй главе 86 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ

ЭНЕРГОУСТАНОВКИ ТЕПЛОВОЗА НА ТОПЛИВНО-ВОДОРОДНОЙ СМЕСИ И РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА БОРТОВОГО АВГ

3.1. Методика проведения экспериментальных исследований

3.2. Приборы и оборудование, используемые при проведении 92 исследований

3.3. Разработка и испытание бортового алюмоводородного генератора

3.4. Анализ кинетических исследований процесса получения водорода 99 на основе гидролиза алюминия

3.5. Анализ рабочего процесса бортового АВГ и экспериментальные 101 исследования его совместной работы с дизельным двигателем

3.6. Анализ результатов экспериментальных исследований 106 энергоустановки тепловоза при работе на топливно-водородной

смеси

3.7. Оценка адекватности теоретических расчетов в сравнении с 110 экспериментальными данными по показателю расхода дизельного топлива

3.8. Выводы по третьей главе

4. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ 113 БОРТОВОЙ ГЕНЕРАЦИИ ВОДОРОДА И ЕГО АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ПОДАЧИ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКУЮ УСТАНОВКУ МАНЕВРОВОГО ТЕПЛОВОЗА

4.1. Основное назначение технических средств для получения и подачи 113 водорода в дизельный двигатель локомотива

4.2. Алгоритм работы бортовой системы получения и подачи водорода

4.3. Алюмоводородный генератор энергоустановки локомотива

4.4. Устройство электронного управления совместной подачи топлива и 129 добавок водорода в энергоустановку тепловоза

4.5. Выводы по четвертой главе 133 5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО БЕЗОПАСНОМУ ПРИМЕНЕНИЮ

ВОДОРОДА НА МАНЕВРОВОМ ТЕПЛОВОЗЕ И ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕДЛАГАЕМЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

5.1. Общая оценка безопасного применения водорода на АТПС

5.2. Необходимые требования и меры по соблюдению безопасного 136 использования водорода при эксплуатации АТПС

5.3. Оценка экономической эффективности использования маневрового 142 тепловоза при работе на топливно-водородной смеси

5.4 Выводы по пятой главе

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ПРИЛОЖЕНИЕ 3 ПРИЛОЖЕНИЕ 4 ПРИЛОЖЕНИЕ 5 ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности тепловозов путем замещения части дизельного топлива водородом с использованием бортового алюмоводородного генератора»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время одной из актуальных задач мирового масштаба является решение проблемы рационального и экономного использования топливно-энергетических ресурсов. Это обусловлено тем, что бурное развитие топливно- и энергоемких отраслей экономики, в особенности транспортного сектора в нашей стране и во всем мире, приводит к интенсивному сокращению запасов качественного органического сырья, в первую очередь нефти и газа, как наиболее удобных и освоенных видов топлива.

В качестве замены углеводородного сырья на новые доступные и экологически чистые виды энергоносителей может выступать водород. Интерес применения водорода в качестве топлива начал особо проявляться еще в 1970-е гг. прошлого века в разгар энергетического кризиса, охватившего страны Западной Европы и США. Тогда впервые появилось понятие «водородная энергетика». И если уже в то время основной проблемой стояло сокращение мировых запасов углеводородов, то на сегодняшний день стремительно ко всему этому добавилась всемирномасштабная угроза экологических последствий выбросов от транспорта в атмосферу углекислого газа, оксидов азота и серы.

В Российской Федерации в последние годы вопросам использования водорода на транспорте также стало уделяться особое внимание. Об этом свидетельствует распоряжение правительства РФ от 12 октября 2020 г. №2634-р о плане мероприятий «Развития водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года» [84], а также Концепция развития водородной энергетики в Российской Федерации, утвержденная распоряжением правительства РФ от 5 августа 2021 г. №2162 -р [142]. Одним из основных пунктов указанного плана мероприятий являются новые разработки отечественных энерогоэффективных технологий получения, транспортировки и хранения водорода, а также апробации применения

водородного и метано-водородного топлива (с различным содержанием водорода в смеси) в энергетических установках в качестве моторного топлива на разных видах транспорта.

Актуальность темы исследования. В соответствии с энергетической стратегией холдинга ОАО «РЖД» на перспективу до 2030 года [3] одним из путей повышения экономичности и экологичности тепловозов является внедрение новых энергосберегающих технических решений и технологий с использованием достижений в области водородной энергетики. Также одной из глобальных тенденций научно-технического развития железнодорожного транспорта, отраженных в стратегии научно -технологического развития холдинга ОАО «РЖД» на период до 2025 года и на перспективу до 2030 года («Белая книга») [4], является расширение применения эффективных энергетических установок, использующих водород.

До настоящего времени основными сдерживающими факторами применения водорода на автономном тяговом подвижном составе (АТПС) являются его высокая диффузионная способность, вызывающая опасность утечек, а также повышенная взрывоопасность. Ввиду повышенной энергоемкости водорода, его размещение и хранение на борту тепловозов представляет собой не только проблему технологического характера, но и не решенную до настоящего времени задачу обеспечения полной безопасности при использовании водорода как в сжиженном, так и газообразном виде.

Повышение эффективности тепловозов путем замещения части дизельного топлива водородом с учетом отмеченных выше проблем его использования может быть решено за счет реализации подхода получения водорода непосредственно на борту АТПС, что представляет собой довольно актуальную научно-техническую задачу.

В качестве источника водорода на борту локомотива может быть применен бортовой генератор, работа которого основана на методе получения водорода гидролизом алюминия. Это дает возможность минимизировать опасность эксплуатации АТПС с применением

предлагаемого альтернативного топлива путем полного отказа от баллонных систем хранения водорода и повысить эффективность работы автономных локомотивов за счет частичного замещения им дизельного топлива.

Степень разработанности темы. Исследования применения водорода в качестве моторного топлива для транспортных двигателей отражены в работах Колбенева И.Л., Вагнера В.А., Новоселова С.В., Подгорного А.Н. Варшавского И.Л., Кудряша П.П., Мищенко А.И., Долгих Г.Н., Трошенькина Б.А., Дмитриева А.Л., Злотина Г.Н., Гибадуллина В.З., Шайкина А.П., Кавтарадзе Р.З., Носырева Д.Я., Фурмана В.В. и др. Анализ литературы показал, что использование водорода в качестве топлива, в частности применения его в виде добавки к углеводородным топливам позволяет повысить степень экономичности и экологичности различных транспортных средств. Однако вместе с тем, недостаточно проработанными и актуальными остаются вопросы оценки влияния добавок водорода на эксплуатационные показатели энергоустановок локомотивов при разных режимах работы и разработки технико -технологических решений, обеспечивающих генерацию и безопасное применение водорода на борту АТПС.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности локомотивов путем применения алюмоводородного генератора с разработкой технико-технологических решений бортовой генерации водорода для перевода работы энергетической установки маневрового тепловоза на топливно-водородную смесь.

Для достижения указанной цели сформулированы следующие задачи:

- провести анализ современного состояния использования водорода в качестве добавки и основного моторного топлива на АТПС в России и за рубежом;

- разработать методику расчета энергетических характеристик смесевого топлива на основе дизельного топлива и водорода для оценки обеспечения нормативных и получения улучшенных эксплуатационных

показателей энергоустановки маневрового тепловоза с учетом мощности, затрачиваемой на привод вспомогательного оборудования;

- разработать модель закономерности изменения расхода требуемого количества водорода от компонентов процесса гидролиза алюминия при работе энергоустановки тепловоза по нагрузочной характеристике;

- разработать алгоритм работы бортовой системы получения и подачи водорода в энергоустановку локомотива и комплекс технико-технологических средств с учетом необходимых требований и мер по соблюдению безопасного использования водорода на АТПС;

- разработать лабораторный образец бортового алюмоводородного генератора и испытать его совместно с работой стационарного дизеля Д-242;

- провести экспериментальные исследования работы энергетической установки маневрового тепловоза ЧМЭ3 на топливно-водородной смеси в условиях станции реостатных испытаний и оценить адекватность результатов теоретических расчетов;

- оценить экономическую эффективность работы энергоустановки маневрового тепловоза ЧМЭ3 при работе на топливно-водородной смеси с оптимальными добавками водорода.

Объектом исследования является энергетическая установка маневрового тепловоза.

Предметом исследования являются процессы изменения эффективных эксплуатационных показателей энергетической установки маневрового тепловоза от количества добавок водорода к дизельному топливу при ее работе по нагрузочной характеристике.

Методология и методы исследования. При проведении исследования применялись методы математического моделирования, математической статистики, планирования и обработки результатов натурного и вычислительного эксперимента. Расчет энерго -экологических показателей работы дизеля тепловоза выполнен в программном модуле «ENGINE». Результаты теоретических исследований сопоставлялись с результатами

реостатных испытаний локомотива, полученных автором лично. При обработке результатов использовались пакеты программ Microsoft, Excel, Statistica, Eureka, MatLab.

Направление работы. Диссертационная работа соответствует паспорту научной специальности 2.9.3 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация», в том числе: п. 1 в части «Эксплуатационные характеристики и параметры подвижного состава»; п. 4 в части «Совершенствование подвижного состава, включая энергетические установки автономных локомотивов» и «Улучшение эксплуатационных показателей подвижного состава»; п.13 в части «Обеспечение экологической безопасности на подвижном составе железных дорог»; п. 15 в части «Испытания подвижного состава».

Научная новизна состоит в следующем:

1. Предложена методика расчета энергетических характеристик смесевого топлива на основе дизельного топлива и водорода, обеспечивающая оценку соответствия и улучшения эксплуатационных показателей энергетической установки локомотива при переводе работы ее на топливно-водородную смесь и учитывающая мощность, затрачиваемую на привод вспомогательного оборудования;

2. Установлены оптимальные значения добавок водорода в зависимости от нагрузки энергетической установки маневрового тепловоза, повышающие ее эксплуатационные показатели;

3. Разработана математическая модель требуемого количества водорода от расхода компонентов процесса гидролиза алюминия при работе энергоустановки тепловоза по нагрузочной характеристике;

4. Разработан алгоритм работы и технико-технологические варианты построения бортовой системы получения и подачи водорода в энергетическую установку маневрового тепловоза, обеспечивающий ее совместную работу с алюмоводородным генератором по режимам работы локомотива и подтвержденные десятью патентами.

Практическая значимость. Результаты исследования могут быть использованы при проектировании и модернизации дизельных энергоустановок маневровых тепловозов при работе на дизельном топливе с оптимальными добавками водорода на холостом ходу и малых нагрузочных режимах. Разработанный комплекс технико-технологических средств для получения водорода на борту автономного локомотива, обеспечивающий соблюдение основных требований безопасности может быть рекомендован при проектировании и усовершенствовании конструкции АТПС с применением бортовой генерации водорода.

Реализация работы. Полученные результаты работы приняты к использованию в службе технической политике и топливно-энергетическом центре Куйбышевской железной дороги - филиала ОАО «РЖД» в виде рекомендаций по замещению части дизельного топлива водородом для повышения эффективности работы маневровых тепловозов. Результаты работы используются в учебном процессе и реализованы в учебно-исследовательской лаборатории «Газомоторное и водородное топливо» кафедры «Тяговый подвижной состав» СамГУПС в виде действующей лабораторной установки. Использование результатов проведенного исследования подтверждено актами внедрения.

Положения, выносимые на защиту:

1. Предложенная методика расчета энергетических характеристик смесевого топлива на основе дизельного топлива и водорода, обеспечивающая оценку соответствия и улучшения эксплуатационных показателей энергетической установки локомотива при переводе работы ее на топливно-водородную смесь и учитывающая мощность, затрачиваемую на привод вспомогательного оборудования;

2. Установленные оптимальные значения добавок водорода в зависимости от нагрузки энергетической установки маневрового тепловоза, повышающие ее эксплуатационные показатели;

3. Сформированная в виде математической модели зависимость требуемого количества водорода от расхода компонентов процесса гидролиза (алюминия, щелочи и воды), позволяющая определить их оптимальное количество при работе энергоустановки тепловоза по нагрузочной характеристике;

4. Разработанный алгоритм работы и технико-технологические варианты построения бортовой системы получения и подачи водорода в энергетическую установку маневрового тепловоза, обеспечивающие ее совместную работу с алюмоводородным генератором по режимам работы локомотива.

Степень достоверности результатов. Достоверность теоретических и экспериментальных исследований подтверждена соответствием применяемого исследовательского оборудования и измерительной аппаратуры, требованиям отечественных и международных стандартов, а также положительными отзывами специалистов на полученные результаты. Достоверность полученных результатов также подтверждается низкой погрешностью расхождения расчетных и экспериментальных исследований, которая составила не более 7%.

Апробация работы. Основные результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались на 3-й Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» (г. Самара, СамГАПС, 2006 г.), 4-й Международной научно-практической конференции, (г. Самара, СамГАПС, 2008 г.), II Всероссийской молодежной научной конференции (г. Уфа, 2014 г.), IV Международной научно-практической конференции «Образование, наука, транспорт в XXI веке: опыт, перспективы, инновации» (г. Оренбург, 2014 г.), II Международной научно-практической конференции «Инновации и исследования в транспортном комплексе» (г. Курган, 2014 г.), II Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение

эффективности тяги поездов» (г. Омск, 2014 г.), VII Международной научно-практической конференции «Наука и образование транспорту» (г. Самара, СамГУПС, 2014 г.), I Международной научно -практической конференции «Локомотивы. Газомоторное топливо. Проблемы. Решения. Перспективы» (г. Самара, СамГУПС, 2016 г.), XI Международной научно-практической конференции «Наука и образование транспорту» (г. Самара, СамГУПС, 2018 г.), XII Международной научно-практической конференции, посвященной 160-летию Белорусской железной дороги «Проблемы безопасности на транспорте» (г. Гомель, 2022 г.), 14-й Международной научно-практической конференции «Перспективы развития локомотиво-, вагоностроения и технологии обслуживания подвижного состава» (г. Ростов -на-Дону, РГУПС, 2022 г.).

Также результаты работы были представлены на Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ (г. Москва, ВВЦ, 2007 г. и 2008 г.) и XV Юбилейном международном Салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед-2012» (г. Москва, 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликована 1 монография, 27 научных работ, в том числе статей - 20, из них 4 в ведущих научных изданиях из Перечня ВАК РФ, 7 Scopus, получены 9 патентов на полезные модели и 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы и содержит 169 страниц основного печатного текста, 25 таблиц, 44 рисунка и 6 приложений. Библиографический список состоит из 144 наименований.

Автор посвящает работу памяти своего учителя и научного руководителя, доктора технических наук, профессора кафедры «Локомотивы» Дмитрия Яковлевича Носырева.

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

Основные сокращения

АВГ - алюмоводородный генератор;

АТПС - автономный тяговый подвижной состав;

АСД - алюминий сферический дисперсный;

БХВ - блок хранения водорода;

ДВС - двигатель внутреннего сгорания;

ИМС - интерметаллидные соединения;

КПД - коэффициент полезного действия;

НПА - нанопорошок алюминия;

ПА - порошок алюминия;

ПАП - пудра алюминиевая пигментная;

ПКМ - позиция контроллера машиниста;

ПЭК - пункт экологического контроля;

САП - спеченной алюминиевый порошок;

ТВС - топливно-воздушная смесь;

ТНВД - топливный насос высокого давления;

ТЭ - топливный элемент;

ФТКЭ - фосфорнокислый электролит;

ЭУК - электроуправляемый клапан;

ЭХГ - электрохимический генератор.

Коэффициенты и показатели

у г - коэффициент остаточных газов; ]Ъо1 - коэффициент дозарядки;

£ - коэффициент тепловыделения в конце видимого сгорания; р - действительный коэффициент молекулярного изменения; (р-- - коэффициента полноты диаграммы; а - коэффициент избытка воздуха;

¡и - коэффициент расхода жиклера; в - степень сжатия; Я - газовая постоянная; те - молярная масса воздуха;

М - малярная масса компонента в реакции гидролиза; П1 - показатель политропы сжатия; П2 - показатель политропы расширения; к - показатель адиабаты расширения газа.

Температура

То - температура воздуха;

Т, - температура воздуха за холодильником;

Тг - температура остаточных газов;

ЛТ - температура подогрева свежего заряда;

АТм - температура подогрева при номинальном режиме работы ДВС;

- температура в цилиндре в конце сжатия;

- температура в цилиндре в конце сгорания.

Давление

ро - атмосферное давление;

Лр, - потеря давления в охладителе наддувочного воздуха;

ргм - давление остаточных газов на номинальном режиме;

Ра - давление в конце впуска;

ро - давление окружающей среды;

Лра - потеря давления на впуске;

Рс - давление в цилиндре в конце сжатия;

Ре - среднее эффективное давление;

Рмех - среднее давление механических потерь;

Рвсп - давление, затрачиваемое энергоустановкой на привод вспомогательного оборудования.

15

Топливо и газы дн_- массовая доля водорода в составе смесевого топлива; д — - массовая доля дизельного топлива в составе смесевого топлива; Н*'-- низшая теплота сгорания водорода;

иДТ

- низшая теплота сгорания дизельного топлива; - количество свежего заряда;

сУк - теплоемкость компонента свежего заряда; Сук - теплоемкость компонента продуктов сгорания заряда; q - доля тепла, вводимая соответствующей добавкой водорода; АтИ_- масса подаваемого водорода за один цикл;

т:: - масса подаваемого дизельного топлива за один цикл; Ж - количество водяных паров в продуктах сгорания массовой единицы топлива.

Расходы

От - расход дизельного топлива;

V- - часовой расход водорода;

ge - удельный эффективный расход топлива;

- необходимый расход водорода, потребляемый дизелем; Ото - производительность генератора по выработке водорода;

- расход твердого реагента алюминия; , - расход реагента щелочи;

- расход воды;

В- - массовый расход компонента бортового алюмоводородного генератора.

Компоненты реакции гидролиза алюминия

Вал > В1п он • В~н2 о - массы исходных реагентов;

В,а -А; ои 4 , - массы побочного и целевого продуктов реакции.

Показатели и параметры энергоустановки

Пе - эффективный КПД энергоустановки тепловоза; Упхр. - средняя скорость поршня;

- тактность двигателя; 2 - число цилиндров; I л - литраж двигателя; V - рабочий объем цилиндра;

Пд - частота вращения коленчатого вала дизельного двигателя; пм - частота вращения коленчатого вала на номинальном режиме; В - дымность.

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ И ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДОРОДА НА ТРАНСПОРТЕ

1.1. Основные проблемы и недостатки использования водорода на

транспорте

В соответствии с бурным развитием глобальных мировых трендов, одним из которых является «зеленая энергетика», в транспортном секторе экономики многих стран мира все чаще и достаточно остро стали подниматься вопросы экономии топливно-энергетических ресурсов и применения всевозможных видов альтернативных топлив. Это главным образом связано с перманентными колебаниями цен на мировых рынках нефти и, как следствие, постоянным удорожанием традиционных топлив, а также ухудшением экологической обстановки.

Полагается, что к концу XXI века потребность в водороде достигнет 700-800 млн. тонн в год, а его использование прогнозируется следующим образом: в топливно-энергетическом комплексе до 20%, на транспорте до 50%, нефтехимии и металлургии до 15-20%, а также в быту [5-9]. На основе других данных [10] предусматривается увеличение потребления водорода по сравнению с уровнем 2000 г. в 16 - 20 раз, причем большая часть увеличения (до 80%) связана с применением водорода в виде топлива и энергоносителя (рис. 1.1), две трети которого будет использоваться на нужды транспорта.

900-

800-

3

Металлургия Нефтепереработка.

нефтехимия Производство

2000

2050

2100

Рис. 1.1. Прогноз потребления водорода в XXI веке [72]

Проявленный интерес многих исследователей к применению водорода в качестве топлива на транспорте показал, что его использование в рабочем процессе ДВС, работающих по бензиновому и дизельному циклам, позволяет добиться улучшения их экономичности и сокращения выброса токсичных компонентов выхлопа. Использование водорода в качестве добавки к традиционным видам топлив или насыщения (обогащения) им последних, позволяет также в целом повысить степень экономичности и экологичности различных транспортных средств, в частности локомотивов, причем, кардинально не изменяя конструкцию и параметры их топливных систем.

Научно-исследовательские работы по применению водорода в качестве моторного топлива, проводимые в направлении создания как бензино-водородных ДВС, так и в направлении конвертации транспортных дизелей для работы на чистом водороде и при замене части дизельного топлива водородом, велись и продолжают проводиться специалисты НАМИ, ЦНИДИ, С-ПбГТУ, МГТУ, АлтГТУ, ТолГТУ, ЛСХИ, ИПМаша, ВолГТУ, СамГУПСа и др. Основные результаты по данному направлению нашли отражение в научных трудах Колбенева И.Л., Вагнера В.А., Новоселова С.В., Долгих Г.Н., Трошенькина Б.А., Подгорного А.Н., Варшавского И.Л., Кудряша П.П., Мищенко А.И., Дмитриева А.Л., Шайкина А.П., Кавтарадзе Р.З., Гибадуллина В.З., Злотина Г.Н., Носырева Д.Я., Фурмана В.В. и др.

Среди альтернативных заменителей дизельного топлива (горючих газов, метанола, метана, пропана, этанола, биогаза и других) водород занимает особое место, прежде всего своей неограниченностью и возобновляемостью, а также экологической чистотой, уникальными моторными свойствами и возможностью улучшения эксплуатационных показателей дизельных двигателей тепловозов. Водород имеет превосходные энергетические характеристики, а его сгорание протекает без заметного загрязнения окружающей среды.

В настоящее время водород, благодаря его неограниченным ресурсам, высокой энергонасыщенности, технологической гибкости и экологической

чистоте процессов преобразования энергии с его участием, следует рассматривать как наиболее перспективный энергоноситель для АТПС. По сравнению с использующимися топливами, преимущества водорода в качестве энергоносителя определяются его следующими характеристиками:

- в разы большая теплотворная способность на единицу массы;

- значительно более широкие концентрационные пределы распространения пламени, позволяющие использовать увеличенный рабочий интервал коэффициента избытка воздуха;

- высокая скорость сгорания, повышающая КПД ДВС;

- экологическая чистота и возможность долговременного хранения;

- высокий коэффициент диффузии.

При использовании водорода в качестве топлива на локомотивах следует учитывать его основные физико-химические свойства (табл. 1.1). Проявление этих свойств в организации процессов сгорания водорода представляет большой научный и практический интерес. Среди приведенных в таблице 1.1 основных свойств водорода, наиболее важным показателем процесса сгорания топливно-воздушной смеси (ТВС) является энергия его воспламенения, которая меньше энергии воспламенения нефтяных топлив более чем в 10 раз. Задержка воспламенения водородно -воздушных смесей практически не зависит от температуры и давления смеси согласно [62, 63].

Таблица 1.1

Основные физико-химические свойства водорода

Характеристика (показатель) Водород

Энергия воспламенения, мДж 0,02

Расстояние гашения, см 0,06

Температура воспламенения, К 858

Пределы воспламенения, % об 4,7 - 74,2

Коэффициент диффузии, м2/с 0,6-10-4

Скорость распространения пламени, см/с до 270

Низшая теплотворная способность, 103 кДж/кг (кДж/м3) 121(10780)

Стехиометрическое количество воздуха на 1 кг топлива, кг/кг (м3/м3) 34,2 (2,38)

Теплотворная способность горючей смеси при а=1:

- в смеси с воздухом, кДж/м3 3190

- в смеси с кислородом, кДж/кг 1,34-104

Согласно данным таблицы 1.2 по теплофизическим свойствам водород значительно отличается от большинства используемых в настоящее время жидких (бензин, дизельное топливо) и газообразных (пропан и т.п.) топлив.

Широкие пределы значений температуры воспламенения водорода дают возможность качественно регулировать рабочий процесс во всем диапазоне нагрузок. В области частичных нагрузок это повышает экономичность ДВС и, как следствие, эффективность использования АТПС.

Водород, как моторное топливо, характеризуется низкой энергией воспламенения и высокой скоростью сгорания. Максимальное значение нормальной скорости распространения пламени в водородно-воздушных смесях составляет от 24 до 270 см/с и сильно зависит от температуры [64].

Высокая скорость ламинарного пламени (табл. 1.2), позволяет сгорать водороду за сравнительно короткий промежуток времени [37]. Однако высокая скорость сгорания, особенно стехиометрической смеси, способствует увеличению скорости нарастания давления, что может приводить к повышению шума дизельного двигателя локомотива.

Однако учитывая положительные свойства водорода, ему присущи два серьезных недостатка: чрезмерная малая плотность и его взрывоопасность.

Водород является одним из наиболее энергоемких топлив. В пересчете 1 т водорода эквивалентна 4,1 т условного дизельного топлива. Наряду с этим водород имеет и другие недостатки. Он в 8 раз легче природного газа. Температура сжижения водорода составляет -252,8 °С, при атмосферном давлении существенно ниже, чем у метана -82,5 °С. Водород более взрывоопасен, образуя с воздухом взрывоопасные смеси в значительно большем диапазоне концентраций (от 4 до 75 об. % в воздухе), чем природный газ, однако вследствие малой плотности он быстро улетучивается в открытых объемах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мишкин Алексей Анатольевич, 2023 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Мишкин, А.А. Перспективы применения алюмоводородной энергетики на железнодорожном транспорте [Текст] / А.А. Мишкин // Современное техническое образование и транспортный комплекс России: состояние, проблемы и перспективы. Сб. материалов II Всероссийской молодежной научной конференции. - Уфа: УфИПС, 2014. - С. 134 - 136.

2. Дмитриев, А.Л. Экономические и технические проблемы развития водородного транспорта с целью улучшения экологического состояния окружающей среды [Текст] / А.Л. Дмитриев // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology» ISJAEE №1(9), 2004. С. 14 - 18.

3. Энергетическая стратегия холдинга «Российские железные дороги» на период до 2015 года и на перспективу до 2030 года, утвержденная распоряжением ОАО «РЖД» от 15.12.2011 г. №2718р.

4. Стратегия научно-технологического развития холдинга «РЖД» на период до 2025 года и на перспективу до 2030 года («Белая книга»), утвержденная распоряжением ОАО «РЖД» от 17.04.2018 г. №769/р.

5. JeremyRifkin. The third industrial revolution. - New York, 2011. - Р. 291.

6. Лепесов, К.К. Инновационный Казахстан: Современное состояние мировой фотовольтаики и проекты солнечной энергетики Казахстана [Текст] / К.К. Лепесов, Т.И. Таурбаев, Г.К. Мусабек, С.К. Сейтбаткалов. Национальный Центр Технологического Прогнозирования КП МИНТ РК -Алматы, 2012. - 126 с.

7. Лепесов, К.К. Роль металловодородной энергетики в развитии водородной экономики [Текст] / К.К. Лепесов, С.Б. Мукаев, С.К. Лепесов // Журнал Ядерное Общество Казахстана. - 2011. - № 3-4. - С. 88 - 93.

8. Лепесов, К.К. Водородная экономика XXI века [Текст] /К.К. Лепесов, С.Б. Мукаев, С.К. Лепесов // Журнал Промышленность Казахстана. - 2012. № 3 (72). - С. 26-30.

9. Бишимбаев, В.К. Вызовы и риски развития солнечно -водородной энергетики в РК [Текст] / В.К. Бишимбаев, К.К. Лепесов и др. // Энергетика и топливные ресурсы Казахстана. - 2012. № 4.

10. Ponomarev-Stepnoi N.N., Stolyarevsky A.Ya. Major aspects of the strategy of hydrogen-based power development with nuclear energy sources.Presentation at the Int. Conf. «Fifty Years of Nuclear Power - the Next Fifty Years», Obninsk, Russia, 29 - 02.07.2004.

11. Колбенев, И.Л. Улучшение эксплуатационных показателей энергоустановок мобильных сельскохозяйственных агрегатов путем применения автотракторного генератора водорода: Дис. ... докт. тех. наук 05.04.02 / Колбенев Игорь Львович - Ленинград, 1988. - 375 c.

12. Колбенев, И.Л. Электрохимические генераторы в подводных аппаратах [Текст] / И.Л. Колбенев. - М.: Воениздат, 1980. - 88 с.

13. Колбенев, И.Л. Водородная энергетика и транспортно -экологическая проблема [Текст] / И.Л. Колбенев, Т.И Дмитриев // Двигателестроение. - 1984. - №10. - С. 58 - 60.

14. Колбенев, И.Л. Математическое моделирование рабочего процесса генератора водорода ДВС [Текст] / И.Л. Колбенев, А.В. Солдаткин // Двигателестроение. - 1985. - №4. - С. 29 - 31.

15. Колбенев, И.Л. Особенности режимов работы генератора водорода для малотоксичных двигателей [Текст] / И.Л. Колбенев, А.В. Солдаткин // Двигателестроение. - 1986. - №8. - С. 54 - 55, 62.

16. Колбенев, И.Л. Повышение энергоэкологических показателей автотракторных дизелей [Текст] / И.Л. Колбенев // Двигателестроение. -1987. - №12. - С. 53 - 56.

17. Колбенев, И.Л. Транспортно-водородная энергетика сегодня [Текст] / И.Л. Колбенев // Двигателестроение. - 1989. - №8. - С. 54 - 55.

18. Вагнер, В.А. Улучшение экономических и экологических характеристик дизелей методом насыщения жидкого топлива водородом:

Дис. ... докт. тех. наук 05.04.02 / Вагнер Виктор Анатольевич - Барнаул, 1984. - 225 с.

19. Вагнер, В.А. Осуществление добавки водорода к топливу и ее влияние на показатели работы дизеля [Текст] / В.А. Вагнер, Д.Д. Матиевский // Двигателестроение. - 1985. - №2. - С. 11-13.

20. Вагнер, В.А. Снижение сажевыделения и радиационной теплоотдачи при работе дизеля на водородонасыщенном топливе [Текст] /

B.А. Вагнер, В.А. Синицын, С.А. Батурин // Двигателестроение. - 1985, №8. -

C. 43 - 44.

21. А.С. 1087681 (СССР). Система питания двигателя внутреннего сгорания / Алтайский политехнический институт: Авт. изобрет. В.А. Вагнер, Д.Д. Матиевский и др. - Заявл. 29.08.83., №3556791 /25/, опубл. Б.И. 1984, №13.

22. Лоскутов, А.С. Снижение выбросов окислов азота дизелями в атмосферу [Текст] / АС. Лоскутов, А.Л. Новоселов, В.А. Вагнер // Алт. краев, правление Союза НИО СССР - Барнаул: Б.И., 1990. - 120 с.

23. Вагнер, В.А. Снижение дымности дизелей [Текст] / В.А. Вагнер,

A.С. Лоскутов, А.Л. Новоселов // Алт. краев, правление Союза НИО СССР -Барнаул: Б.И., 1991. - 140 с.

24. Подгорный, А.Н. Водород - топливо будущего [Текст] / АН. Подгорный, И.Л. Варшавский. - Киев: Наукова думка, 1978. - 133 с.

25. Варшавский, И.Л. Энергоаккумулирующие вещества и их использование [Текст] / И.Л. Варшавский. - К.: Наукова думка, 1980. - 239 с.

26. Кудряш, П.П. Исследование рабочего процесса дизельного двигателя, конвертированного на водород [Текст] / П.П. Кудряш,

B.П. Мараховский, А.А. Кайданов //Альтернативные топлива в двигателях внутреннего сгорания: Тез. Докл. Всесоюз. Конф. - Киров, 1988. - С. 146 -147.

27. Кудряш, П.П. Использование водорода для очистки выпускного тракта дизеля от нагароотложения [Текст] / П.П. Кудряш,

B.П. Мараховский // Проблемы машиностроения. - 1983, Вып. 20 - С. 46 - 49.

28. Мищенко, А.И. Технико-экономические аспекты аккумулирования водорода на автомобиле [Текст] / А.И. Мищенко // Вопр. Атом. Науки и техники. Сер. Атом. - водород. Энергетика и технология. - 1985. - Вып. 3.

C. 10 - 12.

29. Долгих, Т.Н. Исследование образования водорода при взаимодействии сплавов алюминия с водой [Текст] / Т.Н. Долгих, Б.А. Трошенькин // Проблемы машиностроения. 1983. - Вып. 20. С. 70 - 72.

30. Трошенькин, Б.А. Водородные реакторы [Текст] / Б.А. Трошенькин, Т.Н. Долгих. - Харьков, 1981. - 20 с.

31. Трошенькин, Б.А. Циркуляционные и пленочные испарители и водородные реакторы [Текст] / Б.А. Трошенькин. - Киев: Наукова думка, 1985. - 176 с.

32. Дмитриев, А.Л. Гибридная энергоустановка для хранения и получения водорода [Текст] / А.Л. Дмитриев, Н.С. Прохоров, Г.Г. Гришин // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE №3 (11), 2004. С. 28 - 31.

33. Злотин, Г.Н. Если водород подавать в конце такта сжатия [Текст] / Г.Н. Злотин, В.З. Гибадуллин // Автомобильная Промышленность, 1995, №11. С. 21 - 23.

34. Бортников, Л.Н. Альтернативные топлива. Современные вопросы применения водорода в ДВС [Текст] / Л.Н. Бортников, Д.А. Павлов, А.П. Шайкин, А.Д. Дерячев. - Самара: Изд-во Самарского научного центра РАН, 2016. - 159 с.

35. Ивашин, П.В. Взаимосвязь скорости распространения пламени с токсичными выбросами при добавке водорода в бензиновые ДВС [Текст] / П.В. Ивашин, П.В. Коломиец П.В., А.П. Шайкин // Проведение научных исследований в области машиностроения. Сборник материалов

Всероссийской научно-технической конференции с элементами научной школы для молодежи: в 3-х томах. 2009. - С. 213 - 218.

36. Бортников, Л.Н. Методика и некоторые результаты исследований состава продуктов сгорания бензоводородовоздушных смесей в сферической камере постоянного объема [Текст] / Л.Н. Бортников, Д.А. Павлов, М.М. Русаков, А.П. Шайкин // Проведение научных исследований в области машиностроения. Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции с элементами научной школы для молодежи: в 3 -х томах. 2009. С. 349 - 355.

37. Кавтарадзе, Р.З. Теплофизические процессы в дизелях, конвертированных на природный газ и водород [Текст] / К.З. Кавтарадзе. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. - 238 с.

38. Кавтарадзе, Р.З. Задержка воспламенения в дизеле при использовании различных топлив [Текст] / К.З. Кавтарадзе, К. Цайлингер, Г. Цитцлер // РАН. Теплофизика высоких температур. 2005. Т. 43. №6. С. 947 - 965.

39. Kavtaradze R.Z., Zeilinger R., Zitzler G. Ignition Delay in a Diesel Engine Utilizing Different Fuels // High Temperature. 2005. Vol. 43.N6. P. 951 -960.

40. Носырев, Д.Я. Выбросы вредных веществ локомотивными энергетическими установками: монография [Текст] / Д.Я. Носырев, Е.А. Скачкова, А.Д. Росляков. - М.: Маршрут, 2006. - 248 с.

41. Носырев, Д.Я. Перспективы применения алюмоводородной энергетики на железнодорожном транспорте: монография [Текст] / Д.Я. Носырев, А.А. Мишкин. - Самара: СамГУПС, 2016. - 160 с.

42. Носырев, Д.Я. Исследование процесса получения водорода методом гидролиза [Текст] / Д.Я. Носырев, А.А. Мишкин // IV Международная научно-практическая конференция «Образование, наука, транспорт в XXI веке: опыт, перспективы, инновации», Оренбург, 2014. С. 56 - 60.

43. Патент на полезную модель RU 60508. Генератор водорода транспортной энергоустановки / Носырев Д.Я., Мишкин А.А., Жуков Д.А. -опубл. 27.01.2007 г., Б.И. № 3.

44. Патент на полезную модель RU 62922. Генератор водорода транспортной энергоустановки / Носырев Д.Я., Мишкин А.А. - опубл. 10.05.2007 г., Б.И. № 13.

45. Патент на полезную модель RU 65040. Генератор водорода / Носырев Д.Я., Балакин Д.С. - опубл. 27.07.2007 г., Б.И. № 21.

46. Патент на полезную модель RU 85759. Энергоустановка с водородовоздушным электрохимическим генератором / Носырев Д.Я., Плетнев А.И. - опубл. 10.08.2009 г., Б.И. № 22.

47. Патент на полезную модель RU 90061. Генератор водорода / Носырев Д.Я., Плетнев А.И. - опубл. 27.12.2009 г., Б.И. № 36.

48. Патент на полезную модель RU 92653. Генератор водорода / Носырев Д.Я., Плетнев А.И. - опубл. 27.03.2010 г., Б.И. № 9.

49. Патент на полезную модель RU 93382. Генератор водорода / Носырев Д.Я., Плетнев А.И. - опубл. 27.04.2010 г., Б.И. № 12.

50. Патент на полезную модель RU 104384. Энергоустановка с генератором водорода / Носырев Д.Я., Плетнев А.И. - опубл. 10.05.2011 г., Б.И. № 13.

51. Патент на полезную модель RU 125182. Генератор водорода / Носырев Д.Я., Мишкин А.А., Елагин М.С., Кабанов П.А. - опубл. 27.02.2013 г., Б.И. № 6.

52. Патент на полезную модель RU 128290. Генератор водорода и кислорода / Носырев Д.Я., Кабанов П.А., Мишкин А.А. - опубл. 20.05.2013 г., Б.И. № 14.

53. Патент на полезную модель RU 129092. Генератор для производства водорода / Носырев Д.Я., Мишкин А.А., Елагин М.С. - опубл. 20.06.2013 г., Б.И. № 17.

54. Патент на полезную модель RU 147397. Генератор водорода / Носырев Д.Я., Мишкин А.А., Талаева А.У. - опубл. 10.11.2014 г., Б.И. № 31.

55. Патент на полезную модель RU 2413674. Генератор водорода / Носырев Д.Я., Плетнев А.И. - опубл. 10.03.2011 г., Б.И. № 7.

56. Патент на полезную модель RU 143403. Маневровый локомотив / Носырев Д.Я., Мишкин А.А. - опубл. 20.07.2014 г., Б.И. № 20.

57. Мишкин, А.А. Устройство для получения водорода на борту локомотива и исследование работы дизеля на топливе, обогащенном водородам [Текст] / А.А Мишкин, Д.Я. Носырев // Материалы II Международной научно-практической конференции «Инновации и исследования в транспортном комплексе» - Курган, 2014. - С. 119 - 123.

58. Генератор водорода транспортной энергоустановки и устройство обогащения дизельного топлива водородом. Отчет по научно -исследовательской работе / СамГУПС. Науч. конс. работы Носырев Д.Я., рук. работы Мишкин А.А. - Самара, 2012, - 226 с.

59. Мишкин, А. А. Повышение эффективности работы тепловозов за счет применения алюмоводородных технологий / А. А. Мишкин, Д. Я. Носырев // Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов: Материалы второй Всероссийской научно -технической конференции с международным участием, Омск, 13 ноября 2014 года / Омский государственный университет путей сообщения. - Омск: Омский государственный университет путей сообщения, 2014. - С. 308-315.

60. Носырев, Д. Я. Экспериментальные исследования процесса получения водорода на основе использования алюминия с возможностью применения их в качестве энергогносителей на автономном тяговом подвижном составе / Д. Я. Носырев, А. А. Мишкин, А. Н. Шмойлов // Вестник транспорта Поволжья. - 2014. - № 5(47). - С. 23-30.

61. Носырев, Д.Я. Концепция применения и развития алюмоводородных технологий на автономном тяговом подвижном составе /

Д. Я. Носырев, А. А. Мишкин // Наука и образование транспорту. - 2014. -№ 1. - С. 33-36.

62. Эномото, К. Воспламеняемость смеси водорода с воздухом // Дзидося Гидзюцу. - 1982. - №321. - С. 378 - 384.

63. Klukowski S. Zfstosowanie wodorudu jako paliwa w tokowych silnicgeh spalinowsch // Poland Technika Motoryzasyjna. - 1981. - №4. - P. 13 - 16.

64. Boer P.C., Melecan W.I., Homan H.S. Performance and emission of hydrogen fueled internal combustion engines // Inter. I. of Hydrogen Energy. -1976. - №2. - P. 153 - 172.

65. Тарасов, Б.П. Проблема хранения водорода и перспективы использования гидридов для аккумулирования водорода [Текст] / Б.П Тарасов, М.В. Лотоцкий, В.А Яртысь // Рос.хим. Об-ва им. Д.И. Менделеева, 2006, т. L, №6 С. 34 - 48.

66. Справочник. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение. М.: Химия, 1989.

67. Водород. Технические условия ГОСТ 3022-80. М. - 25 с.

68. Zittel W., Wurster R. Hydrogen in the Energy Sector, Issue: 8.7.1996 (http://www.hyweb. de/inbox-e.html)

69. Riis., Hagen E.F., Vie P.J.S., Ulleberg Q. Hydrogen Production - Gaps and Priorities. IEA Hydrogen Implementing Agreement (HIA), http : //www. ieahia. org/pdfs/HIA_ Production_G&P_F inal_with_Rev. pdf.

70. HodsonM., Marvin S. Technology Characterisation of the Hydrogen Economy. Work.Pap.1, May 2004, Centre for Sustainable Urban and Regional Futures (SURF), http://www. surf. salford. ac.uk.

71. McHugh K. Hydrogen Production Methods. Report MPR-WP-0001, Revision 0, February 2005, Prepared for MPR Associaters, Inc., 41 p.

72. Тарасов, Б.П. Водородная энергетика: прошлое, настоящее, виды на будущее [Текст] / Б.П Тарасов, М.В. Лотоцкий // Рос.хим. Об-ва им. Д.И. Менделеева, 2006, т. L, №6 С. 5 - 18.

73. Коровин, Н.В. Электрохимическая энергетика [Текст] / Н.В. Коровин. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 264 с.

74. Носырев, Д.Я. Механизмы и особенности образования оксидов азота в тепловозных дизелях: монография [Текст] / Д.Я. Носырев, Е.А. Скачкова Е.А. - Самара: СамГАПС, 2005. - 154 с.

75. Колчин, А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. пособие для вузов / А.И. Колчин, В.П. Демидов. - 4-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2008. - 496 с.

76. Орлин, А.С. Расчет рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания [Текст] /А.С. Орлин // Справочное пособие. - М., 1958. - 124 с.

77. Вершина, Г.А. Тепловой расчет газодизельного двигателя внутреннего сгорания: пособие для студентов специальности 1 -37 01 01 «Двигатели внутреннего сгорания» / Г.А. Вершина, О.С. Быстренков. -Минск: БНТУ, 2020. - 34 с.

78. Хертл И. Инструкция по эксплуатации двигателя K6S310DR для тепловоза ЧМЭ3Т. Дизель Прага. 1988. - 204 с.

79. Нотик 3.Х. Тепловозы ЧМЭЗ, ЧМЭЗТ, ЧМЭЗЭ: Пособие машинисту. -2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1996. - 444 с.

80. Володин, А.И. Локомотивные энергетические установки: Учебник для вузов ж.-д. трансп./А.И. Володин, В.З. Зюбанов, В.Д. Кузьмич и др.; Под ред. А.И. Володина. М.: ИПК «Желдориздат», 2002. - 718 с.

81. Леонтьева, А.И. Общая химическая технология: Учеб. пособие в 2 ч. Ч.1. [Текст] / А.И. Леонтьева, К.В. Брянкин - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2004. - 108 с.

82. Нейн, Ю.И. Технологические расчеты в проектировании химических установок: учебное пособие / Ю.И. Нейн, Н.П. Бельская; под общ. ред. М.Ф. Костериной; Уральский федеральный университет. -Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2021. - 166 с.

83. Москвичев, А.Ю. Теоретические основы химической технологии: Учеб. пособие для студ. проф. учеб. Заведений [Текст] / А.Ю. Москвичев,

А.К. Григоричев, О.С. Павлов. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. -272 с.

84. Распоряжение правительства РФ от 12.10.2020 г. №2634-р о плане мероприятий «Развития водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года».

85. Григорович, Д.Н. Формирование предложений по использованию водородного топлива на железнодорожном транспорте с учетом анализа зарубежного опыта [Текст] / Д.Н. Григорович // Бюллетень ОУС ОАО «РЖД». - №6 - 2013. - С. 37-49.

86. Жук, А.З. Алюмоводородная энергетика [Текст] / А.З. Жук, Б.В. Клейменов, Е.И. Школьников, А.Е. Шейндлин и др. - М.: ОИВТ РАН, 2007. - 278 с.

87. Фортов, В.Е., Технологии алюмоэнергетики [Текст] / В.Е. Фортов, А.Е. Шейдлин, А.З. Жук // Объединенный ученый совет ОАО «РЖД» №2 2011, С. 26 - 27.

88. Школьников, Е.И. Разработка научных и технологических основ создания эффективных алюмоводородных источников энергии. Автореферат дис. докт. техн. наук: 01.04.14 / Школьников Евгений Иосифович. - Москва, 2013. - 39 с.

89. Разработка технологий источников энергии мощностью до 1 кВт, включающих топливные элементы и генераторы водорода на основе реакций окисления в присутствии воды. Отчет по научно-исследовательской работе по государственному контракту от 08.08.2007 № 02.516.11.6115. / УРАН Объединенный институт высоких температур, руководитель темы Жук А.З. -Москва, 2008. - 100 с.

90. Лепесов, К.К. и др. Перспективы развития нановодородной энергетики в Казахстане // Труды 1 -ой Международной инновационной школы «Энергия, вода и химия». - Актау, 2011. - С. 119-125.

91. Ziebarth J.T., Woodall J.M., Kramer R.A., Go Choi, Liquid Phase-enabled Reaction of Al-Ga and Al-Ga-In-Sn Alloys with Water // International Journal of Hydrogen Energy. - 2011. - Vol. 36. - Р. 5271-5279.

92. Презентация профессора Jerry M. Woodall и Kyle Montgomery -Making Hydrogen, Калифорнийский университет, США, 2012.

93. Технико-экономический отчет по созданию энергетических установок на основе фосфорнокислых топливных элементов для различных отраслей народного хозяйства. № 051-8/6-95. - М.: РКК «Энергия». 1995. -83 с.

94. US 2758011 (423-627) Bloch H.S. Production of alumina [Universal Oil Products Company]. 17.10.52/07.08.56.

95. Ляшко, А.П. и др. Особенности реакции ультрадисперсного алюминия с водой в режиме горения// Физика горения и взрыва. - 2000. - Т. 3б. - № 2. - С. 60 - 65.

96. Иванов, В.Г. Макрокинетика окисления ультрадисперсного алюминия водой в жидкой фазе [Текст] / В.Г. Иванов, М.Н. Сафронов, О.В. Гаврилюк // Физика горения и взрыва. - 2001. - Т. 37. - № 2. С. 57 - 62.

97. Химическая энциклопедия/ Под ред. И.Л. Кнунянца. Т. 1, 2.- М: Советская энциклопедия, 1990.

98. Мазалов, Ю.А. Моделирование и основы регулирования процесса горения гетерогенных конденсированных систем [Текст] / Ю.А. Мазалов, В.Ю. Мелешко, Г.Я. Павловец. - М.: ВАРВСН, 2001. - 281 с.

99. Бабич, Б.Н. Металлические порошки и порошковые материалы: справочник / Б.Н. Бабич, Е.В. Вершинина, В.А. Глебов и др.; под ред. Ю.В. Левинского. - М.: ЭКОМЕТ, 2005. - 520 с.

100. Ачеркан Н.С. Справочник машиностроителя, Том 5, Книга 2 Изд.3.1964. - 472 с.

101. Астанкова, А.П. О кинетике саморазогрева в реакции нанопорошка алюминия с жидкой водой [Текст] / А.П. Астанкова,

А.Ю. Годымчук, А.А. Громов, А.П. Ильин // Журнал физической химии, 2008, Т. 82, №11, С. 2126 - 2134.

102. Павлов, Д.А. Исследование показателей дизельного двигателя с добавкой водорода [Текст] / Д А. Павлов, Л.Н. Бортников, П.В. Коломиец, Р.Х. Хафизов // Всероссийская научно-техническая конференция с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области машиностроения» - Тольятти, 2009. - С. 338 - 343.

103. Wasserstoff-Dieselmotormit Direkteinspritzung, hoher Leistungsdiechte und geringer Abgasemission. Teil 3: Versuche und Berechnungen am Motor / H. Rottendruber, U. Wiebicke, G. Woschni, K. Zeilinger // MTZ. 2000. №2. S. 122-128.

104. Григорович, Д.Н. Применение водорода в качестве моторного топлива на железнодорожном транспорте [Текст] / Д.Н. Григорович // Транспорт на альтернативном топливе. - №3 (9) май - 2009. - С. 68-72.

105. Мишкин, А. А. Анализ работы дизеля тепловоза при частичной замене дизельного топлива водородом / А. А. Мишкин, А. В. Муратов // Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта: Материалы 3-й Международной научно-практической конференции, Самара, 06-07 декабря 2006 года / Самарская государственная академия путей сообщения. -Самара: Самарская государственная академия путей сообщения, 2006. - С. 93-95.

106. Румянцев, В.В. Рабочий процесс малотоксичного транспортного двигателя, работающего с добавками водорода и водяного пара: Автореферат. дис.... канд. техн. наук: 05.04.02 / Румянцев Виктор Валентинович - Л.: 1984. - 16 с.

107. Насоновский, М.Л. Результаты экспериментальных исследований работы дизеля с использованием водорода в качестве топлива при внешнем смесеобразовании [Текст] / М.Л. Насоновский, В.В. Горланов, И.В. Коняшин //Альтернативные топлива в двигателях внутреннего сгорания: Тез. докл. Всесоюз. конф. - Киров, 1988. - С.148.

108. Система снижения токсичности и повышения экономичности бензиновых и дизельных двигателей. Научно -технический отчет / ТолГТУ. Науч. руководитель работы А.П. Шайкин. - №2.14. - Тольятти, 2003. - 30 с.

109. Мишкин, А.А. Алгоритм работы системы получения и подачи водорода в тепловозный дизель [Текст] / А.А. Мишкин // Международный научный журнал «Научные горизонты» №3, 2017. - С. 143 - 152.

110. Григорович, Д.Н. Использование альтернативных видов топлива и энергоустановок на железнодорожном транспорте [Текст] / Д.Н. Григорович // Техника железных дорог. - №1 (17) февраль - 2012. - С. 49-56.

111. Богославский, А.Е. Водородное топливо. Перспективы применения на подвижном составе [Текст] / А.Е. Богославский // Транспорт Российской Федерации. - №6 (85). - 2019. - С. 40 - 45.

112. Поезд Coradiai Lint на топливных элементах. Железные дороги мира. № 4. 2017. С. 52-55.

113. Грушин, К.А. Использование энергии электродинамического торможения тепловозов. Автореферат дис. канд. техн. наук: 05.22.07 / Грушин Константин Андреевич. - Санкт-Петербург, 1992. - 22 с.

114. Бабков, Ю.В. Особенности использования водорода на железнодорожном транспорте: выбор агрегатного состояния и способы экипировки локомотива водородом [Текст] / Ю.В. Бабков, Д.В. Котяев, Д.И. Прохор, А.Г. Воронков, С.Н. Журавлев // Бюллетень результатов научных исследований. - 2021. - Вып.2. - С. 107 - 118.

115. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2002610605 от 25.04.2002. Расчет энерго-экологических параметров ДВС «ENGINE».

116. Влияние добавок водородосодержащих газов на уровни выбросов вредных веществ дизелями тепловозов / Д. Я. Носырев, А. Г. Старикова, А. В. Муратов, А. А. Мишкин // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Специальный выпуск: Проблемы

железнодорожного транспорта на современном этапе развития. - 2006. - С. 239-241.

117. Носырев, Д.Я. Экологическая безопасность тепловозных дизелей в условиях эксплуатации: Учебное пособие для студентов специальности 150700 - Локомотивы [Текст] / Д.Я. Носырев, Е.Н. Сковородников, Е.А. Скачкова, А.Д. Росляков. - Самара: СамГАПС, 2004. - 139 с.

118. ГОСТ Р 50953-2008. Выбросы вредных веществ и дымность отработавших газов магистральных и маневровых тепловозов. Нормы и методы определения.

119. Булыгин, Ю.И. Основы моделирования внутрицилиндровых процессов и токсичности дизелей тепловозов: Дис. док. тех. наук: 05.04.02 / Булыгин Юрий Игоревич - Ростов-на-Дону, 2006. - 328 с.

120. Повышение экологической безопасности тепловозных дизелей путем обогащения дизельного топлива водородом / Д. Я. Носырев, В. В. Асабин, А. А. Мишкин [и др.] // Экология и промышленность России. -2020. - Т. 24, № 5. - С. 51-57. - DOI 10.18412/1816-0395-2020-5-51-57.

121. Andronchev, I. K. Decrease in Destructive Environmental Impact and Fuel Consumption in Internal Combustion Engine of Vehicles as Result of Using Aluminium and Hydrogen Technologies / I. K. Andronchev, D. Y. Nosyrev, A. A. Mishkin // Proceedings of the 5th International Conference on Industrial Engineering (ICIE 2019) : Conference proceedings ICIE 2019, Sochi, Russia, 25 -29 марта 2019 года / Federal State Autonomous Educational Istitution of Higher Education "South Ural State University" (national research university), Federal State Budget Educational Institution of Higher Professional Education «Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)». - Sochi, Russia: Springer International Publishing, Switzerland AG, 2020. - P. 1427-1434. - DOI 10.1007/978-3-030-22063-1_150.

122. Глухих, Н.Н. Быстродействующий генератор водорода для транспортных энергоустановок на топливных элементах [Текст] /

Н.Н. Глухих, В.Ф. Челяев, А.Н. Щербаков // Биржа Интеллектуальной Собственности. Т.Ш. №6, 2004. С. 39 - 43

123. Патент на полезную модель RU 180295. Энергетическая установка с алюмоводородным генератором / Носырев Д.Я., Мишкин А.А. - опубл. 08.06.2018 г., Б.И. № 16.

124. Макурин, Ю.Н. Кинетика сложных реакций: учебное пособие [Текст] / Ю.Н. Макурин, Е.И. Степановских, Л.А. Брусницына. -Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2008. - 51 с.

125. Носырев, Д. Я. Влияние температуры водно -щелочного раствора на производительность генератора водорода / Д. Я. Носырев, А. А. Мишкин, Р. Г. Валиуллин // Вестник транспорта Поволжья. - 2017. - № 2(62). - С. 38-41.

126. Носырев, Д. Я. Система измерения параметров тепловозного дизеля и управления его работой с применением алюмоводородных технологий / Д. Я. Носырев, А. А. Мишкин, Н. М. Сосевич // Наука и образование транспорту. - 2018. - № 1. - С. 47-51.

127. Мишкин, А.А. Повышение точности регулирования производительности тепловозного генератора водорода с помощью устройства для измерения индикаторных параметров в цилиндре дизеля [Текст] / А.А. Мишкин, Д.Я. Носырев // Актуальные проблемы развития транспортного комплекса. Материалы 4-й Международной научно-практической конференции, 4 - 5 марта 2008 г. - Самара: СамГАПС, 2006.-С. 171 - 173.

128. Патент на полезную модель RU 50660. Устройство для измерения параметров в цилиндре двигателя внутреннего сгорания / Носырев Д.Я., Платонов Е.М., Мишкин А.А. - опубл. 20.01.2006 г., Б.И. № 2.

129. Устройство электронного управления совместной подачи топлива и добавок водорода в дизельные двигатели транспортных средств / Д. Я. Носырев, И. К. Андрончев, В. В. Асабин, А. А. Мишкин // Электротехника. -2020. - № 3. - С. 6-10.

130. Патент на изобретение RU 2735778. Устройство электронного управления подачей топлива дизеля транспортного средства / Носырев Д.Я., Мишкин А.А. - опубл. 09.11.2020 г., Б.И. № 31.

131. Шелищ, П.Б. Безопасность при работе с водородом [Текст] / П.Б. Шелищ, А.Ю. Раменский // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». - 2009. № 11 (79). - С. 3 - 15.

132. Баратов, А.Н. и др. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения [Текст] / А.Н. Баратов и др. М. Химия, - 1990. - 496 с.

133. О возможных причинах аварий при производстве и применении взрывчатых смесей, содержащих алюминий // Безопасность в промышленности, №9, 2009 г. С. 28 - 31.

134. Балакин, А. Ю. Оценка степени безопасности эксплуатации тепловозов с использованием технологий бортовой генерации водорода / А. Ю. Балакин, А. А. Мишкин // Проблемы безопасности на транспорте: Материалы XII Международной научно -практической конференции, посвященной 160-летию Белорусской железной дороги. В 2-х частях, Гомель, 24-25 ноября 2022 года / Под общей редакцией Ю.И. Кулаженко. Том Часть 1. - Гомель: Учреждение образования "Белорусский государственный университет транспорта", 2022. - С. 239-241.

135. Оценка энерго-экологической эффективности тепловозов при работе на дизельном топливе с добавкой водорода / В. В. Асабин, А. Ю. Балакин, Л. С. Курманова [и др.] // Экология и промышленность России. -2022. - Т. 26, № 1. - С. 9-13. - DOI 10.18412/1816-0395-2022-1-9-13.

136. Хайри, А.Х. Равновесные процессы при получении водорода с взаимодействием алюминия с раствором щелочи [Текст] / А.Х. Хайри, А.Ю. Омаров // Машиностроение и инженерное образование. 2011. №3. С. 70 - 73.

137. Сорокина, И.И. Перспективы применения полимерных композитных материалов с добавлением нанокристаллических порошков оксида алюминия в конструировании и ремонте сельскохозяйственной

техники / И.И Сорокина, М. В. Астахов // Технология металлов. - 2012. -№ 12. - С. 18 - 20.

138. Витязь, П.А. Функциональные материалы на основе гидроксида алюминия / П.А. Витязь, А.Ф. Ильющенко, Л.В. Судник, Ю.А. Мазалов, А.В. Берш. - Минск, Белорусская наука, 2010. - 184 с.

139. Федотов, А.В. Повышение долговечности деталей и агрегатов сельскохозяйственной техники с использованием наноструктурного оксигидроксида алюминия: Дис. ... докт. тех. наук: 05.20.03 / Федотов Анатолий Валентинович - Москва. 2021. - 283 с.

140. Mishkin A., Muratov A., Asabin V. et al. Hydrogen generation system on autonomous locomotiv and evaluation of the effectiveness of the use of its additives in fuel // AIP 2503, 080039 (2022 г.); https://doi. org/10.1063/5.010075.

141. Mishkin A.A., Asabin V.V., Balakin A. et al Evaluation of energy and environmental efficiency of diesel locomotives when running on diesel fuel with hydrogen supplementation. Материалы конференции AIP 2503, 080041 (2022 г.); https://doi.org/10.1063/5.0100754.

142. Распоряжение правительства РФ от 05.08.2021 г. №2162-р «Концепция развития водородной энергетики в Российской Федерации».

143. Мишкин, А. А. Особенности применения алюмоводородных технологий на транспорте / А. А. Мишкин, Д. Я. Носырев // Локомотивы. Газомоторное топливо (Проблемы. Решения. Перспективы): Материалы I Международной научно-практической конференции, Самара, 29 июня 2016 года - Самара: Самарский государственный университет путей сообщения, 2016. - С. 6-10.

144. Мишкин, А. А. Применение алюмоводородных технологий в рабочем процессе локомотивных энергетических установок / А. А. Мишкин // Вестник транспорта Поволжья. - 2019. - № 4(76). - С. 27-32.

Методыы Способ получения водорода Сущность способа Химические реакции Преимущества Недостатки

1 2 3 4 5 6

Железо-паровой (восстановление водяного пара) Получение водорода заключается в окислении железа водяным паром при атмосферном давлении в одинаковом температурном интервале 650 - 850° С для реакции как окисления, так и восстановления. Полученные продукты этого обратимого процесса для повторного окисления должны быть восстановлены. В качестве восстановителей применяются газообразные вещества. Окисление: Бе + Н2О О БеО + Н2 + 8,9 ккал; 2БеО + Н2О О Бе2Оз + Н2 + 16,7 ккал. Восстановление: Бе2Оз + СО О 2БеО + СО2 - 6,3 ккал; БеО + СО О Бе + СО2 + 1,5 ккал. Возможность получения в генераторе водорода сравнительно высокой концентрации (до 98%), а также относительная простота процесса, особенно в условиях завода, где имеется газ для восстановления контакта. Малая производительность агрегатов (500 нм3 водорода в час), расход большого количества восстановительного газа (2,2 нм3 на 1 нм3 водорода), периодичность процесса, загрязненность газа примесями (СО, СО2, Н2С, СН4).

Химические Газификация твердых и жидких топлив Производство водяного газа можно рассматривать как первую ступень получения водорода методами газификации твердых и жидких топлив и конверсии углеводородных газов. Вторым этапом получения водорода является конверсия окиси углерода водяного газа. Процесс конверсии основан на реакции водяного газа с паром, в результате которой окись углерода окисляется до двуокиси, а пар восстанавливается до водорода. I) С + Н2О О СО + Н2 - 28,4 ккал; С + 2Н2О О СО2 + 2Н2 - 18 ккал. II) СО + Н2О О СО2 + Н2 + 9,8 ккал. Конверсия при втором способе очистки водорода протекает в несколько этапов. После каждого парогазовая смесь охлаждается и из нее извлекается СО2 чем, объясняется поступление газа на каждую ступень, практически лишенного СО2. В результате получается водород, содержащий малые количества окиси и двуокиси углерода. Производство водорода представляет собой довольно сложный химико-технологический процесс. Первый способ не оправдал себя из-за быстрого повышения сопротивления реакторов и необходимости частой их перезарядки.

Конверсия газообразных углеводородов При этом способе в качестве первичного продукта выделяется смесь Н2 + СО (или Н2 + СО + №), которая для получения из нее водорода направляется на конверсию окиси углерода. Конверсия углеводородных газов, в частности метана, для получения водорода проводится с помощью окислителей - пара, кислорода, двуокиси - по основным реакциям. СН4 + Н2О О СО + 3Н2 + 49,3 ккал; СН4 + СО2 О СО + 2Н2 - 59,1 ккал; СН4 + 0,5О2 О СО + 2Н2 + 8,5 ккал; СО + Н2О О СО2 + Н2 + 9,8 ккал. Метан для автотермичности процесса может конвертироваться с парокислородной смесью. Производство водорода представляет собой сложный химико-технологический процесс.

Продолжение таблицы 1

1 2 3 4 5 6

Термическое разложение углеводородов При высокотемпературной обработке углеводородов образуется промежуточный углеводород - метан. Процесс термического разложения углеводородных газов для получения в них водорода лимитируется реакцией распада метана на элементы. Углеводороды можно разлагать термически, впрыскивая их в расплавленное железо. При этом получается водород высокой частоты, т.к. углерод растворяется в жидком металле и выход водорода практически равен теоретическому. Ш4 ——^ С + 2^ - 17,9 ккал. Водород получается высокой частоты, т.к. углерод растворяется в жидком металле и выход водорода практически равен теоретическому. При различных способах применения водород можно не очищать или очищать незначительно. Для термического разложения метана нужна температура 1000-1200°С. Однако скорость диссоциации метана при таких температурах мала, и для достижения приемлемых выходов водорода процесс ведется при высоких температурах 1350-1400 °С. Катализаты увеличивают скорость пиролиза метана, но процесс усложняется образованием карбидов.

Электрохимические Электрохимический Электрохимический способ получения водорода заключается в электролитическом разложении воды на составные части -водород и кислород. 2H2O О 2^ + O2. В растворе 4NaOH ^ 4№+ + 4OH 4№+ + 8H2O ^ NaOH + 4HзO+, 8H2O ^ 4HзO+ + 4OH На катоде 4HзO+ ^ 4№ + 4H2O, 4H+ + 4e ^ 4H, 4H ^ 4БаДс, 4Hадс * 2H2адс, ^ 2H2; На аноде 4OH - - 4e ^ 2H2O + O2, O2 ^ O2адс, O2адс ^ O2. В процессе электролитического разложения получается водород высокой частоты, загрязненный только кислородом (0,2 - 0,5%). Удельный расход электроэнергии при получении водорода значителен (до 5 - 6 кВтч на 1 нмз водорода).

Физические Термический В отличие от электролиза при термохимических способах тепло источника энергии используется непосредственно для расщепления воды на ее газообразные компоненты. Термохимические циклы протекают при более низких температурах. Наиболее известны термохимические циклы, предложенные фирмой «Евростом» (например, «Марк»), которые протекают по трем или четырем ступеням. 2H2O О 2^ + O2; MOx + ^0 ^ MOx+1 + H2, д 1г/~\ , тепловая ъ яг\ , 1 ^ MOx+l + ^ M0x + — O2; энергия 2 суммарная реакция тт г\ 1 тепловая тт . 1 H2O + ^ Н2 +--O2. энергия 2 Здесь М - ион металла. Термохимические циклы протекают при более низких температурах. В данных химических процессах изменение энтропии связано только с разложением воды, что объясняет отклонение от идеального КПД цикла Карно и превышает его на 20%. Отсутствие материалов для химической оснастки, нерешенность вопросов коррозии аппаратуры, большой расход химикатов, мылай выход продуктов реакции на некоторых ступенях, методические трудности, большие капитальные затраты.

Продолжение таблицы 1

1 2 3 4 5 6

е « и у Кислотный Кислотный способ основан на свойстве некоторых кислот взаимодействовать с металлами, выделяя водород. Бе + Н28О4 ^ Бе + Н2. Не требуется сложных установок для получения водорода. Полученный водород содержит до 5% примесей Н28, РН3, АэЩ 8ЬН4. Теоретически на 1 нм3 водорода требуется 2,5 кг железа и 4,4 кг серной кислоты. На практике расходы почти в два раза больше.

Щелочно-алюминиевый Щелочно-алюминиевый способ базируется на свойстве алюминия давать с растворами гидроокисей щелочных металлов алюминаты, выделяя водород. 2А1 + 2№ОН + 2Н2О ^ 2AlNaO2 + 3Н2. Водород получается высокой частоты (до 98% Н2). Реакция протекает весьма бурно с выделением большого количества тепла, которое необходимо постоянно отводить.

Активировано-алюминиевый Активированный алюминий легко взаимодействует с водой. Активация может осуществляться обработкой порошкообразного алюминия хлористой ртутью, цианистым калием, покрытием специальной амальгамой, добавлением в сплав индия, галлия и др. А1 + Н2О ^ А1(ОН)э + 3Н2. Требуется небольшой расход активированного алюминия (0,9 кг 1 нм3 водорода). Водород получается высокой частоты (99%). Активированный алюминий должен перевозится и сохранятся в герметичной таре.

Щелочно-кремниевый Кремний в щелочной среде взаимодействует с водой в две стадии. Чистый кремний весьма дефицитен, поэтому для получения водорода обычно применяется сплав ферросилиция, в котором должно быть не менее 72% кремния. 81 + 2№ОН + Н2О ^ Na2SiOз + 3Н2; №28Ю3 + (п + 1) Н2О ^ №ОН + 81О2-пН2О. Процесс получения водорода не требует дорогих химических реагентов. Применяется гидроокись натрия в виде раствора с концентрацией 30 - 35%. На начало протекания химической реакции необходимо использовать разогретую гидроокись натрия до 60 - 70° С.

Разложение гидридов Практическое значение для получения водорода имеют гидриды, работа с которыми безопасна и которые легко разлагаются водой в обычных условиях. ЫН + Н2О ^ ЫОН + Н2; СаН2 + 2Н2О ^ Са(ОН)2 + Н2; МаВН + 4Н2О ^ NaOH + В(ОН)3 + 4Н2. Преимуществом производства водорода из гидридов является высокий выход водорода из 1 кг сухого материала. Кроме этого способ не требует других химических реактивов. Выход водорода из 1 кг ЫН, СаН2, МаВН соответственно составляет 2,81; 1,06; 2,38 нм3. Теоретически водород может быть выделен из всех гидридов. Однако практическое значение для получения водорода имеют только гидриды, работа с которыми безопасна и которые легко разлагаются водой в обычных условиях.

173

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Расчетные показатели расхода дизельного топлива, эффективного КПД и __ эффективной мощности __

Состав топлива, % Часовой расход дизельного топлива GдX, кг/час Часовой расход водорода Gн2, кг/час Часовой расход водорода Gн2, м3/час Эффективный КПД Эффективная мощность Удельный эфф ективный расход дизельного топлива

Пе кВт Ье, г/кВт-ч

Режим работы (позиция КМ 1)

Дизельное топливо 11,0 — — 0,239 31 354

99ДТ+1 водород 10,8 0,09 0,93 0,240 31 346

98ДТ+2 водород 10,8 0,09 0,93 0,240 31 345

97ДТ+3 водород 10,7 0,14 1,44 0,241 32 341

95ДТ+5 водород 10,4 0,23 2,37 0,241 32 333

Режим работы1 (позиция КМ2)

Дизельное топливо 24,9 — — 0,272 80 312

99ДТ+1 водород 24,7 0,10 1,03 0,273 80 307

98ДТ+2 водород 24,4 0,21 2,17 0,273 80 304

97ДТ+3 водород 24,2 0,31 3,20 0,273 81 300

95ДТ+5 водород 23,7 0,51 5,26 0,274 81 294

Режим работы1 (позиция КМ3)

Дизельное топливо 44,2 — — 0,295 151 291

99ДТ+1 водород 43,7 0,18 1,86 0,296 152 288

98ДТ+2 водород 43,3 0,36 3,72 0,297 152 284

97ДТ+3 водород 42,8 0,55 5,68 0,297 152 281

95ДТ+5 водород 42,0 0,91 9,39 0,297 153 275

Режим работы1 (позиция КМ4)

Дизельное топливо 76 — — 0,312 262 275

99ДТ+1 водород 75 0,31 3,20 0,313 263 272

98ДТ+2 водород 75 0,63 6,50 0,313 263 268

97ДТ+3 водород 74 0,94 9,70 0,314 263 265

95ДТ+5 водород 72 1,57 16,20 0,314 264 260

Режим работы1 (позиция КМ 5)

Дизельное топливо 102 — — 0,329 374 261

99ДТ+1 водород 101 0,42 4,33 0,330 375 257

98ДТ+2 водород 100 0,84 8,67 0,330 376 254

97ДТ+3 водород 99 1,26 13,00 0,330 376 251

95ДТ+5 водород 97 2,10 21,67 0,331 377 245

Режим работы1 (позиция КМ 6)

Дизельное топливо 135 — — 0,340 523 249

99ДТ+1 водород 133 0,56 5,78 0,341 524 246

98ДТ+2 водород 132 1,11 11,46 0,341 524 243

97ДТ+3 водород 131 1,67 17,23 0,342 524 241

95ДТ+5 водород 128 2,78 28,69 0,342 524 235

Режим работы1 (позиция КМ 7)

Дизельное топливо 164 — — 0,350 673 238

99ДТ+1 водород 162 0,68 7,02 0,351 674 235

98ДТ+2 водород 161 1,35 13,93 0,351 675 233

97ДТ+3 водород 159 2,03 20,95 0,352 676 230

95ДТ+5 водород 156 3,38 34,88 0,352 678 225

Режим работы1 (позиция КМ 8)

Дизельное топливо 202 — — 0,359 882 229

99ДТ+1 водород 200 0,83 8,57 0,360 884 226

98ДТ+2 водород 198 1,67 17,23 0,361 885 224

97ДТ+3 водород 196 2,50 25,80 0,361 886 222

95ДТ+5 водород 192 4,18 43,14 0,362 888 217

ЧМЭЗ на холостом ходу

Первая стадия гидролиза алюминия

Малярная масса М, кг/кмоль Расход компонентов Выход компонентов

Компонент Проц ент замещения водородом дизельного топлива

1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5%

Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час

А1203 101,9601 1,180 1,349 2,023 3,035 0,012 0,013 0,020 0,030 0 0 0 0 0 0 0 0

ЫаОН 39,997 0,926 1,058 1,587 2,381 0,023 0,026 0,040 0,060 0 0 0 0 0 0 0 0

Н20 18,015 0,626 0,715 1,072 1,608 0,035 0,040 0,060 0,089 0 0 0 0 0 0 0 0

Ыа[А1(0Н)4] 117,9995 0 0 0 0 0 0 0 0 2,731 3,122 4,683 7,024 0,023 0,026 0,040 0,060

Сумма 2,731 3,122 4,683 7,024 0,069 0,079 0,119 0,179 2,731 3,122 4,683 7,024 0,023 0,026 0,040 0,060

Вторая стадия гидролиза алюминия

Малярная масса М, кг/кмоль Расход компонентов Выход компонентов

Компонент Проц ент замещения водородом дизельного топлива

1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5%

Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час

А1 26,9815 0,625 0,714 1,071 1,606 0,023 0,026 0,040 0,060 0 0 0 0 0 0 0 0

Н20 18,015 1,251 1,430 2,145 3,217 0,069 0,079 0,119 0,179 0 0 0 0 0 0 0 0

А1(0Н)3 78,0025 0 0 0 0 0 0 0 0 1,806 2,064 3,095 4,643 0,023 0,026 0,040 0,060

Н2 2,016 0 0 0 0 0 0 0 0 0,070 0,080 0,120 0,180 0,035 0,040 0,060 0,089

Сумма 1,876 2,144 3,215 4,823 0,093 0,106 0,159 0,238 1,876 2,144 3,215 4,823 0,058 0,066 0,099 0,149

Третья стадия гидролиза алюминия

Малярная масса М, кг/кмоль Расход компонентов Выход компонентов

Компонент Процент замещения водородом дизельного топлива

1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5%

Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час

А1(0Н)3 78,0025 0,903 1,032 1,548 2,322 0,012 0,013 0,020 0,030 0 0 0 0 0 0 0 0

Ыа0Н 39,997 0,463 0,529 0,794 1,190 0,012 0,013 0,020 0,030 0 0 0 0 0 0 0 0

Ыа[А1(0Н)4] 117,9995 0 0 0 0 0 0 0 0 1,366 1,561 2,341 3,512 0,012 0,013 0,020 0,030

Сумма 1,366 1,561 2,341 3,512 0,023 0,026 0,040 0,060 1,366 1,561 2,341 3,512 0,012 0,013 0,020 0,030

Суммарный материальный баланс процесса гидролиза

Малярная масса М, кг/кмоль Расход компонентов Выход компонентов

Компонент Процент замещения водородом дизельного топлива

1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5%

Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час

А1203 101,9601 1,180 1,349 2,023 3,035 0,012 0,013 0,020 0,030 0 0 0 0 0 0 0 0

Ыа0Н 39,997 1,389 1,587 2,381 3,571 0,035 0,040 0,060 0,089 0 0 0 0 0 0 0 0

Н20 18,015 1,877 2,145 3,217 4,825 0,104 0,119 0,179 0,268 0 0 0 0 0 0 0 0

Ыа[А1(0Н)4] 117,9995 0 0 0 0,000 0 0 0 0 4,097 4,683 7,024 10,536 0,035 0,040 0,060 0,089

А1 26,9815 0,625 0,714 1,071 1,606 0,023 0,026 0,040 0,060 0 0 0 0 0 0 0 0

А1(0Н)3 78,0025 0,903 1,032 1,548 2,322 0,012 0,013 0,020 0,030 1,806 2,064 3,095 4,643 0,023 0,026 0,040 0,060

Н2 2,016 0 0 0 0,000 0 0 0 0 0,070 0,080 0,120 0,180 0,035 0,040 0,060 0,089

Сумма 5,973 6,826 10,239 15,359 0,185 0,212 0,317 0,476 5,973 6,826 10,239 15,359 0,093 0,106 0,159 0,238

ЧМЭЗ на первой позиции контроллера машин

_Первая стадия гидролиза алюминия_

Малярная масса М, кг/кмоль Расход компонентов Выход компонентов

Компонент Проц ент замещения водородом дизельного топлива

1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5%

Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час

А1203 101,9601 1,517 1,517 2,360 3,877 0,015 0,015 0,023 0,038 0 0 0 0 0 0 0 0

Ыа0И 39,997 1,190 1,190 1,852 3,042 0,030 0,030 0,046 0,076 0 0 0 0 0 0 0 0

Н20 18,015 0,804 0,804 1,251 2,055 0,045 0,045 0,069 0,114 0 0 0 0 0 0 0 0

Ыа[А!(0И)4] 117,9995 0 0 0 0 0 0 0 0 3,512 3,512 5,463 8,975 0,030 0,030 0,046 0,076

Сумма 3,512 3,512 5,463 8,975 0,089 0,089 0,139 0,228 3,512 3,512 5,463 8,975 0,030 0,030 0,046 0,076

Вторая стадия гидролиза алюминия

Малярная масса М, кг/кмоль Расход компонентов Выход компонентов

Компонент Процент замещения водородом дизельного топлива

1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5%

Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час

А! 26,9815 0,803 0,803 1,249 2,052 0,030 0,030 0,046 0,076 0 0 0 0 0 0 0 0

И20 18,015 1,608 1,608 2,502 4,111 0,089 0,089 0,139 0,228 0 0 0 0 0 0 0 0

А!(0И)3 78,0025 0 0 0 0 0 0 0 0 2,322 2,322 3,611 5,933 0,030 0,030 0,046 0,076

Н2 2,016 0 0 0 0 0 0 0 0 0,090 0,090 0,140 0,230 0,045 0,045 0,069 0,114

Сумма 2,412 2,412 3,751 6,163 0,119 0,119 0,185 0,304 2,412 2,412 3,751 6,163 0,074 0,074 0,116 0,190

Третья стадия гидролиза алюминия

Малярная масса М, кг/кмоль Расход компонентов Выход компонентов

Компонент Процент замещения водородом дизельного топлива

1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5%

Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час

А!(0И)3 78,0025 1,161 1,161 1,806 2,966 0,015 0,015 0,023 0,038 0 0 0 0 0 0 0 0

Ыа0И 39,997 0,595 0,595 0,926 1,521 0,015 0,015 0,023 0,038 0 0 0 0 0 0 0 0

Ыа[А!(0И)4] 117,9995 0 0 0 0 0 0 0 0 1,756 1,756 2,731 4,487 0,015 0,015 0,023 0,038

Сумма 1,756 1,756 2,731 4,487 0,030 0,030 0,046 0,076 1,756 1,756 2,731 4,487 0,015 0,015 0,023 0,038

Суммарный материальный баланс процесса гидролиза

Малярная масса М, кг/кмоль Расход компонентов Выход компонентов

Компонент Процент замещения водородом дизельного топлива

1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5%

Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час

А!203 101,9601 1,517 1,517 2,360 3,877 0,015 0,015 0,023 0,038 0 0 0 0 0 0 0 0

Ыа0И 39,997 1,786 1,786 2,778 4,563 0,045 0,045 0,069 0,114 0 0 0 0 0 0 0 0

И20 18,015 2,413 2,413 3,753 6,166 0,134 0,134 0,208 0,342 0 0 0 0 0 0 0 0

Ыа[А!(0И)4] 117,9995 0 0 0 0,000 0 0 0 0 5,268 5,268 8,194 13,462 0,045 0,045 0,069 0,114

А! 26,9815 0,803 0,803 1,249 2,052 0,030 0,030 0,046 0,076 0 0 0 0 0 0 0 0

А!(0И)3 78,0025 1,161 1,161 1,806 2,966 0,015 0,015 0,023 0,038 2,322 2,322 3,611 5,933 0,030 0,030 0,046 0,076

И2 2,016 0 0 0 0,000 0 0 0 0 0,090 0,090 0,140 0,230 0,045 0,045 0,069 0,114

Сумма 7,679 7,679 11,946 19,625 0,238 0,238 0,370 0,608 7,679 7,679 11,946 19,625 0,119 0,119 0,185 0,304

ЧМЭЗ на второй позиции контроллера машиниста

_Первая стадия гидролиза алюминия_

Малярная масса М, кг/кмоль Расход компонентов Выход компонентов

Компонент Проц ент заме щения водородом дизельного топлива

1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5%

Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час

А1203 101,9601 1,686 3,540 5,226 8,598 0,017 0,035 0,051 0,084 0 0 0 0 0 0 0 0

Ыа0И 39,997 1,323 2,778 4,100 6,746 0,033 0,069 0,103 0,169 0 0 0 0 0 0 0 0

Н20 18,015 0,894 1,877 2,770 4,557 0,050 0,104 0,154 0,253 0 0 0 0 0 0 0 0

Ыа[А!(0Н)4] 117,9995 0 0 0 0 0 0 0 0 3,902 8,194 12,097 19,901 0,033 0,069 0,103 0,169

Сумма 3,902 8,194 12,097 19,901 0,099 0,208 0,308 0,506 3,902 8,194 12,097 19,901 0,033 0,069 0,103 0,169

Вторая стадия гидролиза алюминия

Малярная масса М, кг/кмоль Расход компонентов Выход компонентов

Компонент Процент замещения водородом дизельного топлива

1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5%

Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час

А1 26,9815 0,892 1,874 2,766 4,550 0,033 0,069 0,103 0,169 0 0 0 0 0 0 0 0

Н20 18,015 1,787 3,753 5,540 9,115 0,099 0,208 0,308 0,506 0 0 0 0 0 0 0 0

А1(0Н)3 78,0025 0 0 0 0 0 0 0 0 2,579 5,417 7,996 13,155 0,033 0,069 0,103 0,169

Н2 2,016 0 0 0 0 0 0 0 0 0,100 0,210 0,310 0,510 0,050 0,104 0,154 0,253

Сумма 2,679 5,627 8,306 13,665 0,132 0,278 0,410 0,675 2,679 5,627 8,306 13,665 0,083 0,174 0,256 0,422

Третья стадия гидролиза алюминия

Малярная масса М, кг/кмоль Расход компонентов Выход компонентов

Компонент Процент замещения водородом дизельного топлива

1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5%

Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час

А1(0Н)3 78,0025 1,290 2,708 3,998 6,578 0,017 0,035 0,051 0,084 0 0 0 0 0 0 0 0

Ыа0Н 39,997 0,661 1,389 2,050 3,373 0,017 0,035 0,051 0,084 0 0 0 0 0 0 0 0

Ыа[А!(0Н)4] 117,9995 0 0 0 0 0 0 0 0 1,951 4,097 6,048 9,950 0,017 0,035 0,051 0,084

Сумма 1,951 4,097 6,048 9,950 0,033 0,069 0,103 0,169 1,951 4,097 6,048 9,950 0,017 0,035 0,051 0,084

Суммарный материальный баланс процесса гидролиза

Малярная масса М, кг/кмоль Расход компонентов Выход компонентов

Компонент Процент замещения водородом дизельного топлива

1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5%

Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час

А1203 101,9601 1,686 3,540 5,226 8,598 0,017 0,035 0,051 0,084 0 0 0 0 0 0 0 0

Ыа0Н 39,997 1,984 4,166 6,150 10,118 0,050 0,104 0,154 0,253 0 0 0 0 0 0 0 0

Н20 18,015 2,681 5,630 8,310 13,672 0,149 0,313 0,461 0,759 0 0 0 0 0 0 0 0

Ыа[А!(0Н)4] 117,9995 0 0 0 0,000 0 0 0 0 5,853 12,292 18,145 29,851 0,050 0,104 0,154 0,253

А! 26,9815 0,892 1,874 2,766 4,550 0,033 0,069 0,103 0,169 0 0 0 0 0 0 0 0

А!(0Н)3 78,0025 1,290 2,708 3,998 6,578 0,017 0,035 0,051 0,084 2,579 5,417 7,996 13,155 0,033 0,069 0,103 0,169

Н2 2,016 0 0 0 0,000 0 0 0 0 0,100 0,210 0,310 0,510 0,050 0,104 0,154 0,253

Сумма 8,533 17,918 26,451 43,516 0,265 0,556 0,820 1,349 8,533 17,918 26,451 43,516 0,132 0,278 0,410 0,675

Показатели требуемого расхода и выхода компонентов реакции гидролиза алюминия при работе энергоустановки тепловоза

ЧМЭЗ на третьей позиции контроллера машиниста

Первая стадия гидролиза алюминия

Малярная масса М, кг/кмоль Расход компонентов Выход компонентов

Компонент Пр°ц ент замещения водородом дизельного топлива

1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5%

Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час

А!203 101,9601 3,035 6,069 9,272 15,341 0,030 0,060 0,091 0,150 0 0 0 0 0 0 0 0

Ыа0И 39,997 2,381 4,762 7,275 12,036 0,060 0,119 0,182 0,301 0 0 0 0 0 0 0 0

И20 18,015 1,608 3,217 4,915 8,132 0,089 0,179 0,273 0,451 0 0 0 0 0 0 0 0

Ыа[А!(0И)4] 117,9995 0 0 0 0 0 0 0 0 7,024 14,048 21,462 35,509 0,060 0,119 0,182 0,301

Сумма 7,024 14,048 21,462 35,509 0,179 0,357 0,546 0,903 7,024 14,048 21,462 35,509 0,060 0,119 0,182 0,301

Вторая стадия гидролиза алюминия

Малярная масса М, кг/кмоль Расход компонентов Выход компонентов

Компонент Процент замещения водородом дизельного топлива

1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5%

Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час

А! 26,9815 1,606 3,212 4,907 8,119 0,060 0,119 0,182 0,301 0 0 0 0 0 0 0 0

И20 18,015 3,217 6,434 9,830 16,264 0,179 0,357 0,546 0,903 0 0 0 0 0 0 0 0

А!(0И)3 78,0025 0 0 0 0 0 0 0 0 4,643 9,286 14,187 23,473 0,060 0,119 0,182 0,301

И2 2,016 0 0 0 0 0 0 0 0 0,180 0,360 0,550 0,910 0,089 0,179 0,273 0,451

Сумма 4,823 9,646 14,737 24,383 0,238 0,476 0,728 1,204 4,823 9,646 14,737 24,383 0,149 0,298 0,455 0,752

Третья стадия гидролиза алюминия

Малярная масса М, кг/кмоль Расход компонентов Выход компонентов

Компонент Процент замещения водородом дизельного топлива

1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5%

Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час

А!(0И)3 78,0025 2,322 4,643 7,093 11,736 0,030 0,060 0,091 0,150 0 0 0 0 0 0 0 0

Ыа0И 39,997 1,190 2,381 3,637 6,018 0,030 0,060 0,091 0,150 0 0 0 0 0 0 0 0

Ыа[А!(0И)4] 117,9995 0 0 0 0 0 0 0 0 3,512 7,024 10,731 17,755 0,030 0,060 0,091 0,150

Сумма 3,512 7,024 10,731 17,755 0,060 0,119 0,182 0,301 3,512 7,024 10,731 17,755 0,030 0,060 0,091 0,150

Суммарный материальный баланс процесса гидролиза

Малярная масса М, кг/кмоль Расход компонентов Выход компонентов

Компонент Процент замещения водородом дизельного топлива

1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5% 1% 2% 3% 5%

Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час Массовое количество, кг/час Мольный поток, кмоль/час

А!203 101,9601 3,035 6,069 9,272 15,341 0,030 0,060 0,091 0,150 0 0 0 0 0 0 0 0

Ыа0И 39,997 3,571 7,142 10,912 18,054 0,089 0,179 0,273 0,451 0 0 0 0 0 0 0 0

И20 18,015 4,825 9,651 14,744 24,395 0,268 0,536 0,818 1,354 0 0 0 0 0 0 0 0

Ыа[А!(0И)4] 117,9995 0 0 0 0,000 0 0 0 0 10,536 21,071 32,192 53,264 0,089 0,179 0,273 0,451

А! 26,9815 1,606 3,212 4,907 8,119 0,060 0,119 0,182 0,301 0 0 0 0 0 0 0 0

А!(0И)3 78,0025 2,322 4,643 7,093 11,736 0,030 0,060 0,091 0,150 4,643 9,286 14,187 23,473 0,060 0,119 0,182 0,301