Простые расчеты в электролизе. Получение водорода. (стр. 5)
На предыдущей странице мы рассчитали теоретический выход водорода в результате электролиза. Наш результат – 2 литра водорода за 10 минут, при токе 30 Ампер. Много это, или мало если речь идет о использовании водорода как топлива в двигателе внутреннего сгорания?
Возьмем, для примера, легковой автомобиль с четырехтактным бензиновым двигателем, объемом 1 литр. Холостые обороты, для большинства двигателей находятся в диапазоне 500 – 800 оборотов в минуту. Предположим что они ровно 600 об.мин. В четырех тактном двигателе на первом обороте коленчатого вала происходят два такта – наполнение цилиндра воздухом с топливом и его сжатие. На втором обороте коленвала происходят – рабочий ход и освобождение цилиндра от продуктов сгорания. Таким образом, воздух в цилиндр засасывается только один раз на два оборота коленвала. Посчитаем количество воздуха – 600 об.мин. – каждые два оборота засасывается 1 литр свежего воздуха или 0,5 литра на оборот, получаем 600 * 0,5 = 300 литров в минуту или , если разделим на 60 секунд, 5 литров в секунду. Результат – необычно маленький однолитровый двигатель, на холостых оборотах, потребляет 5 литров свежего воздуха в секунду.
Сколько водорода потребуется для такого двигателя, если мы вообще откажемся от использования бензина? Вопрос скорее теоретический, мы не собирается переводить двигатель полностью на водород.
Стехиометрическое отношение для бензина 14,7 : 1. Это означает, что на 14,7 грамма воздуха, в камеру сгорания необходимо подать 1 грамм бензина. Если в камере сгорания присутствует смесь в соотношении 14,7 : 1 , то бензин сгорает полностью и лишнего воздуха не остается. Для водорода и кислорода стехиометрическое отношение 2 : 1, известное, скорее, как гремучий газ. Или, если проще, то на два объема водорода необходимо обеспечить один объем кислорода.
Если мы «кормим» наш двигатель кислородно-водородной смесью, то из 5 литров, которые двигатель засасывает каждую секунду, две трети будет приходиться на водород, и одна третья на кислород. Имеем расход 3,34 литра водорода и 1,66 литра кислорода в секунду.
Если необходимо использовать воздушно водородную смесь, то отношение придется пересчитать из расчета, что в воздухе только 20 процентов кислорода, 78 процентов Азота и 2 процента смеси разных газов. Не будем прибегать к сложным уравнениям. 20 процентов означает, что в 5 литрах воздуха находится 1 литр кислорода, к которому необходимо добавить 2 литра водорода, что бы получить стехиометрическое соотношение. 5 частей воздуха, плюс 2 части водорода – всего 7. Таким образом, из пяти литров в секунду, которые потенциально может использовать наш однолитровый двигатель, пять седьмых приходится на воздух и две седьмых на водород. В цифрах это приблизительно 1,4 литра водорода и 3,6 литра воздуха ( соотношение 1,4 : 3,6 <=> 2 : 5).
Вывод. Если наш условный двигатель работает на кислородно-водородной смеси, то каждую секунду ему необходимо 3,34 литра водорода. Если на воздушно водородной смеси, то необходимо 1,4 литра водорода.
Если воспользоваться результатами расчета который мы уже делали, где на получение 2 литров водорода нам понадобилось 17308 Кулон(ов), соответственно на 1 литр – 8654 Кл., то на получение 1,4 литра водорода в секунду нам понадобится 12116 Кл. (Амп.*Сек). Не думаю, что у кого-нибудь найдется источник тока в 12116 Ампер, тем более в автомобиле. Но дело не в этом. Если необходимо добавлять к топливно-воздушной смеси только 5 процентов водорода, то речь идет о 605 Кл. или 605 Ампер в секунду. Это то же много, но технически возможно. Можно ли такой ток получить от автомобильной батареи? Можно, но кратковременно. К примеру, ток в цепи электромотора стартера, в момент когда Вы заводите двигатель автомобиля, находится в интервале 100 – 200 Ампер. Цена вопроса – три автомобильных аккумулятора на борту нашего условного автомобиля с однолитровым бензиновым двигателем.
Какие преимущества нам даст работа двигателя с добавлением 5 процентов водорода, мы не знаем. Есть надежда, что 5 процентов водорода, который будет получен, на борту автомобиля методом электролиза, заменят 5 процентов бензина или, возможно, больше.
На самом деле, ток в 100 – 200 Ампер может показаться слишком большим и суммарное токопотребление тока в 600 Ампер в секунду будут непосильны даже трем аккумуляторам. Если речь идет о времени большем, чем время использования электромотора стартера, те 10 секунд, то это так. Обычная аккумуляторная батарея, емкостью 60 Ампер Часов может кратковременно отдать 600 Ампер. Но если необходим длительный разряд, то можно рассчитывать только на 30 - 40 Ампер. Полностью заряженная батарея способна отдавать такой ток в течении часа.
Прежде, чем приступать к экспериментам с водородом необходимо знать, что водород достаточно опасное вещество. Молекулы водорода при комнатной температуре малоактивны. Их реакционная способность увеличивается при нагревании, под действием ультрафиолетовых лучей, ионизирующих излучений, в присутствии катализаторов, искрового разряда. В присутствии платинового, никилевого, иногда железного катализатора, гремучая смесь взрывается при незначительном нагревании. Известно, из школьного курса, что при соотношении водорода и кислорода 2:1 образуется гремучая смесь, которая легко взрывается от искры или при поджигании. В школе не объяснили, что водород в смеси с кислородом или воздухом, взрывоопасен в широком диапазоне концентаций. К примеру, диапазон концентраций водорода в кислороде, сохраняет взрывоопасность в пределах 4,5 до 95 процентов, а смесь с воздухом в диапазоне 4,1 до 74 процентов. При этом смеси самовозгораются при температурах 450 и 510 градусов Цельсия соответсвенно. Скорость распределения пламени таких смесях 0,89 и 0,27 м/сек. (скорость звука в воздухе составляет 340 м/сек.) В гремучей смеси, скорость распространения пламени превышает скорость звука и составляет 2820 – 2860 метров в секунду, что позволяет говорить не о горении, а о детонации, т.е. распространении фронта пламени со сверхзвуковой скоростью. На этом основан экспрес анализ, который произвдят по звуку згорания микропорций таких смесей. Они сгорают либо с хлопком либо с громким щелчком, соответсвенно.