IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Введение

В мировой энергетике непрерывно происходит оптимизация ее компонентов – диверсификация топливных ресурсов и технологий преобразования топлив в тепловую, механическую и электрическую энергию.

Перед различными потребителями энергии стоит задача трансформировать глобальную энергетическую систему из зависимой от ископаемого топлива, ядерной и большой гидроэнергетики в систему, основанную на новой возобновляемой энергетике и принципе энергоэффективности. Эта система должна соответствовать критерию самоподдерживания, т.е. экологические и экономические издержки энергетической системы должны практически полностью компенсироваться поколениями, извлекающими выгоду из ее использования.

Древесные топливные гранулы (пеллеты) –это цилиндрические спрессованные отходы деревообработки (опилки и стружка хвойных пород дерева).

Рынок топливных гранул (пеллет) в России только зарождается. Однако неизбежный рост тарифов на энергию и традиционное топливо будет способствовать росту спроса на российское биотоапиво как на внешнем, так и на внутреннем рынке. Обладая крупнейшим в мире запасом лесных ресурсов, значительными преимуществами в сфере других производственных затрат, Россия имеет реальный шанс занять роль ведущего поставщика нового вида топлива на растущий рынок Европы.

Пеллеты являются достойной альтернативой традиционным видам топлива, таким как солярка, уголь и дрова. Единственным конкурентом может являться природный газ, подаваемый по трубопроводу. Если рассматривать только стоимость топлива, то, безусловно, отопление газом в 3-4 раза дешевле, чем отопление пеллетами. Однако, если принимать в расчет стоимость нового подключения, то пеллеты выигрывают и здесь.

Качество гранул зависит от сырьяДревесные гранулы (пеллеты) представляют собой прессованные цилиндры диаметром 4-10 мм, длиной 20-50 мм, переработанные из высушенных остатков отходов лесоперерабатывающего производства: древесная мука, стружка, кора, сучки, ветки и т.д. При этом энергосодержание одного килограмма древесных гранул соответствует 0,5 литра жидкого топлива. Помимо экономического эффекта, использование пеллет в качестве топ-линного средства способствует снижению вредных выбросов в атмосферу.

Различают два вида пеллет:

• Высококачественные - для отопления жилых домов,

которые из-за особой белизны еще называются "белыми".

• Промышленные пеллеты, которые, как правило, большего

диаметра, чем "белые".

Для производства одной тонны топливных фанул требуется примерно 6-8 кубометров опилок. По своей идее производство пеллет представляет собой достаточно простой процесс, который во многом схож с процессом производства пищевых гранул для корма животных. Потому многие производители оборудования для пеллет изначально специализировались на выпуске оборудования для пищевых гранул. В технологическом процессе производства пеллет одним из решающих моментов является качество сырья: величина стружки и ее влажность. Кроме того, различные древесные породы предполагают различные условия прессования, а также требования к оборудованию. Немаловажным также является процесс перемещения готовых гранул от станка до склада хранения либо транспортного средства.

Способы и методики комбинированных воздействий на состояние

трех фазных границ

Непрерывное удорожание нефтепродуктов в России поставили многие сельскохозяйственные предприятия всех форм собственности на грань выживания, поэтому ведется непрерывный поиск повышения эффективности сельского хозяйства.

Одним из способов преодолеть перечисленные трудности является методика комбинированного воздействия на состояние трехфазной границы «газ – жидкость – электрод» электрическими импульсами и полное использование физических свойств химических компонентов, реагирующих на электродах топливного элемента. В этом заключается абсолютная новизна предлагаемой технологии изготовления топливных элементов на возобновляемом органическом топливе, получаемом из сельскохозяйственного сырья. Наиболее перспективным для этих целей в России является выращивание сахарного сорго.

Отказ от попыток решать проблему лобовыми атаками (перебором катализаторов, повышением температуры, глубокой очисткой реактивов и т.п. чисто химическими приемами) выглядит перспективным по следующим причинам:

1. Совершенно необязательно тратить энергию на испарение и последующий высокотемпературный крекинг жидкого горючего. Существует много веществ, молекулы которых даже при температуре минус 20-50С и нормальном давлении самопроизвольно диссоциируют на ионы в жидкой фазе или в составе растворов. Это низкомолекулярные спирты, глицерин, аммиак и ряд подобных им соединений.

2. Часть из упомянутых веществ можно непосредственно использовать в качестве электролитов. Они обмениваются носителями зарядов с проводящими электродами, создают на них равновесные потенциалы, поддаются электролизу, растворяют образующиеся по ходу электрохимической реакции на аноде и катоде жидкие продукты горения.

3. Следует упомянуть о аномально низком сопротивлении многих таких электролитов, сравнимом с сопротивлением металлов. Скорость движения свободных протонов у них близка к скорости дрейфа электронов в металлических проводниках. Это резко облегчает прохождение через жидкую фазу системы рабочего электрического тока.

4. Сочетание высокой диэлектрической проницаемости жидкой фазы с аномально высокой подвижностью протонов делает выгодным импульсный режим работы топливного элемента.

5. Совмещение функций горючего и электролита делает ненужной сложную систему подачи к границе раздела сред на поверхности анода газообразного окислителя и резко упрощает удаление газообразных продуктов реакции. Катод можно просто утопить в горючем – электролите, а обдуваемый воздухом анод из проволочной сетки совместить с поверхностью жидкости.

6. Размещение сетки анода строго на границе раздела фаз позволяет организовать интенсивный газовый обмен по всей его площади простыми колебаниями поверхностного натяжения жидкой фазы.

7. Благодаря огромной разнице между скоростью распространения электрического поля и скоростью перестройки молекулярной структуры жидкой фазы на границе раздела сред существует возможность применения эффекта электрополевого катализа химических реакций на электродах.

8. Электрополевой катализ реакции горения почти не зависит от химического состава электрода и качества его поверхности. Это позволяет использовать в топливном элементе гладкие и дешевые электродные материалы, подходящие по механическим и коррозионным свойствам (никель, молибден, вольфрам, серебро). Вредные примеси, каталитические яды и поверхностно активные вещества, выводящие из строя обычные катализаторы платиновой группы, в таких условиях горят вместе с основным топливом и на электродах не накапливаются.

9. Импульсное выделение химической энергии в пограничном слое жидкость – электрод, вызываемое электрополевым катализом, кратковременно поднимает разность потенциалов на выводах топливного элемента с традиционных для электрохимии за счет «конденсаторного эффекта». Обильное выделение газов, сопровождающее горение топлива на поверхности электрода, толчком меняет состав прилегающего слоя жидкости. Это вызывает резкое уменьшение диэлектрической проницаемости горючего в диффузной части двойного электрического слоя, что, при сохранении исходного заряда системы, ведет к мощному броску напряжения в анодной части ячейки.

10. Перечисленные выше особенности процесса дают возможность предельно упростить конструкцию топливного элемента. Обычно скорость течения электрохимической реакции лимитируется температурой рабочей зоны, качеством катализатора и активной поверхностью электродов. Самое отработанное средство её увеличения – губчатые электроды с предельно развитой поверхностью, вдоль которой медленно сочатся исходные реагенты и конечные продукты. В нашем случае скорость реакции и снимаемая электрическая мощность зависит только от быстроты подачи к электродам горючего и окислителя. Оказывается выгодным топливный элемент проточного типа.

Заключение

Из выше сказанного я сделала вывод, что для работы предлагаемого низкотемпературного топливного элемента более других в качестве горючего годятся метиловый, этиловый и бутиловый спирты. Они не замерзают в заданном диапазоне температур, обладают аномально высокой проводимостью протонного типа, при горении выделяют только воду и углекислый газ и по энергоемкости всего на 15-20% уступают традиционному жидкому топливу нефтяного происхождения. Технологии производства спиртов достаточно просты и могут быть экологически безвредны.

Предлагаемое к разработке устройство представляет собой батарею топливных элементов проточного типа со сплошными инертными электродами, например из никеля. Горючим служит органический растворитель с диэлектрической проницаемостью не ниже 25 и аномально высокой подвижностью свободных протонов. Окислителем является атмосферный воздух, поступающий в зону реакции за счет конвекции. Для согласования параметров электрохимической ячейки с внешней нагрузкой и оперативного управления процессом работы используется импульсный полупроводниковый преобразователь высокой частоты. Особенностью устройства является эффективное протекание электрохимической реакции горения жидкого топлива при относительно низкой температуре.

Горючее, одновременно служащее электролитом, непрерывно) подается к поверхности рабочих электродов, разделенных тонкой пористой мембраной или стеклянной сеткой. Воздух подается в зону электрохимической реакции самотеком через воздушный фильтр.

Один из электродов (катод) полностью погружен в электролит и хорошо им смачивается. Напряжение второго электрода (анода), контактирующего с атмосферой, колеблется около точки нулевого потенциала. Это обеспечивает непрерывный подсос воздуха в зону раздела твердой и жидкой фазы, вдоль контактирующей с горючим поверхности анода, а так же обратное удаление из неё газообразных продуктов реакции. Со стороны катода к топливному элементу прижата таблетка поглотителя влаги. Она поддерживает оптимальное содержание в горючем воды.

Для первоначального запуска устройства используется стартовый внутренний или внешний источник напряжения. В зависимости от назначения и условий эксплуатации устройство может оснащаться сменным картриджем для горючего, органами ручного управления, индикации и сигнализации. В простейшем случае запуск электрохимической реакции можно производить непосредственно перед установкой элемента в приемное гнездо, сорвав герметичный предохранительный колпачок.

Протекание электрохимической реакции начинается с момента подачи горючего в зазор между рабочими электродами устройства. Первый этап (запуск устройства) зависит от времени смачивания горючим анодной сетки. Он завершается установлением на внешних выводах электродной системы стабильной разности потенциалов, соответствующей её равновесному состоянию. Затем, с включением электронного преобразователя, начинается основной этап работы схемы генератора.

Стабильная работа установки предполагает оперативную регулировку скорости подачи к электродам электрохимической ячейки топлива и окислителя (воздуха). При колебаниях потребляемой нагрузкой мощности (реальный режим работы) она обязательно должна меняться. Управлять подачей топлива в процессе начального запуска топливного элемента проще всего с помощью подогрева паров топлива в герметичном баке или легкого сжатия его упругих стенок. В дальнейшем процесс регулируется автоматически, так как за счет электрокапиллярного эффекта в работающем топливном элементе жидкий диэлектрик (горючее) сам непрерывно втягивается в межэлектродное пространство, останавливаясь у анодной сетки.

8

Код для цитирования: Скопировать