автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Способы хранения и получения водорода на подводной лодке

На правах рукописи

005050058 ¡1 ^

АЛЕКСИН Евгений Николаевич Vх < /

/ /

СПОСОБЫ ХРАНЕНИЯ И ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА НА ПОДВОДНОЙ ЛОДКЕ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.08.05 - СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И ИХ ЭЛЕМЕНТЫ (ГЛАВНЫЕ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2%т 2013

Санкт-Петербург 2013

005050058

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» на кафедре Теплофизических основ судовой энергетики

Научный руководитель: Дядик Александр Николаевич

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Иванов Роман Александрович

доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр»,

Замуков Владимир Вартанович

кандидат технических наук, доцент, главный конструктор по энергетическим установкам и их системам управления ОАО «СПМБМ «Малахит»

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт кораблестроения и вооружения ВМФ ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия»

Защита состоится «04» марта 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.228.03 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу: 190008, г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Автореферат разослан <<)/» О/ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 212.228.03 при СПбГМТУ ¿С

доктор технических наук, профессор ¿^^-^С А.П. Сеньков

Общая характеристика работы Актуальность проблемы Неатомные подводные лодки (НАПЛ) -один из наиболее эффективных видов морского оружия. При этом существенным недостатком НАПЛ с обычной дизель-электрической энергоустановкой является ограниченное время пребывания под водой. В подводном положении главный гребной электродвигатель дизель-электрической подводной лодки получает электроэнергию от аккумуляторной батареи, емкость которой ограничена. Фактически, время нахождения под водой лодок последних поколений не превышает нескольких суток, при условии патрулирования на малых скоростях. Движение в подводном положении на максимальной скорости (20-25 узлов) разряжает батарею за 2-3 часа. Поэтому мировой рынок подводных лодок испытывает все возрастающую потребность в неатомных подводных лодках, оснащенных воздухонезависимыми энергоустановками, способными повысить важнейшее качество подводной лодки - скрытность - путем увеличения времени пребывания в подводном положении.

Эта задача может быть решена путем создания воздухонезависимых энергоустановок на основе электрохимических генераторов (ЭХГ), где топливом является водород, а окислителем - кислород. Существуют различные варианты систем хранения водорода на борту, однако эту проблему до сих пор нельзя назвать решенной. К наиболее известным способам хранения водорода относятся: хранение газообразного водорода в баллонах под давлением, криогенное, в инкапсулированном состоянии в микросферах, в гидридах интерметаллических соединений, в нанотубуленах. Общей особенностью для всех вышеперечисленных способов является необходимость заправки системы хранения значительным количеством водорода, необходимым для работы корабельной энергоустановки на требуемых режимах, для поддержания минимального давления в системе и компенсации диффузионных потерь. В этом случае всегда существует определенный риск возникновения на борту чрезвычайной ситуации.

Такой опасности можно избежать, если получать водород только в количестве, соответствующем текущей секундной потребности электрохимического генератора. Получать водород на борту можно гидролизом металлов, гидролизом гидридов металлов (в частности, боргидрида натрия), риформингом углеводородного топлива и т.д.

Таким образом, при проектировании системы хранения или генерации водорода (СХГВ) неизбежно возникает проблема выбора. Предпочтение тому или иному типу СХГВ может быть отдано по соображениям взрывопожаробезопасности, экономической целесообразности,

технологичности конструкции, объемным характеристикам системы, исходя из возможностей отечественной промышленности и т.п., так что прежде собственно процесса проектирования необходимо выбрать оптимальный по некоему критерию вариант, т.е. сформулировать и решить задачу оптимизации.

Вместе с тем, анализ источников и состояние современных разработок в области создания СХГВ для ЭУ с ЭХГ свидетельствуют, что при /

3

проектировании СХГВ экономическая составляющая зачастую учитывается в последнюю очередь, пути достижения минимума затрат и влияние технических параметров системы на стоимость эксплуатации не рассматриваются.

Поэтому при выборе критерия оптимизации (целевой функции) необходимо обратить внимание на возрастающую роль стоимости проектируемого изделия при принятии Заказчиком решения о создании того или иного технического средства. Особенно четко проблема оптимизации затрат на создание и эксплуатацию подводной техники проявляется в период экономического кризиса при пересмотре финансирования по государственному оборонному заказу (ГОЗ), а также в контексте конкурентной борьбы на непрерывно растущем международном рынке НАПЛ.

Цель работы - разработка метода оптимизации СХГВ по критерию наименьших полных (капитальных и эксплуатационных) затрат.

Объектом исследования являются системы хранения водорода в баллонах под давлением, в микросферах, в кристаллических решетках интерметаллических соединений, а также системы получения водорода на борту гидролизом алюминия и боргидрида натрия.

Предмет исследования Математические модели функционирования СХГВ и методы условной оптимизации функции нескольких переменных.

Задачи исследования

- анализ основных возможных вариантов получения и хранения водорода на борту подводной лодки;

- выбор типов СХГВ, производство которых возможно в современных условиях в России;

- определение зависимости критерия оптимизации от параметров системы и граничных условий для выбранных вариантов СХГВ;

- выбор метода оптимизации;

- разработка алгоритма оптимизационного исследования;

- выполнение численного эксперимента по разработанному алгоритму для обоснования правильности полученной модели и исследования влияния значащих факторов на результаты оптимизации.

Научную новизну работы составляют:

- анализ ситуации в химической и металлургической промышленности на предмет диапазона цен на исходные материалы и реагенты;

- метод оценки экономических показателей СХГВ;

- уравнения, описывающие влияние технических параметров СХГВ на затраты;

- математическая модель оптимизационного исследования на основе квазиньютоновского метода с помощью программы МАТЬ А В 6.5.

4

- методика расчета затрат на создание и эксплуатацию пяти различных СХГВ для НАПЛ с ЭХГ.

Методы исследований. В основу работы положены расчетные исследования на ЭВМ в программной среде, позволяющей находить решение оптимизационных задач в случае многопараметрической оптимизации нелинейных функций с нелинейными ограничениями в виде равенств и неравенств. Для оптимизации использован градиентный квазиньютоновский метод поиска точки минимума, ограничения учитываются введением функции Лагранжа.

Достоверность и обоснованность научных результатов обеспечиваются

использованием апробированных практикой методов исследования, программ от ведущих мировых производителей программного обеспечения, сравнением полученных результатов с результатами проектирования в конструкторских бюро, патентными исследованиями и материалами международных конференций. Практическая значимость работы

- полученная в диссертации методика позволяет производить оценку любой СХГВ по критерию наименьших полных затрат, что может быть использовано как в разработке технико-экономического обоснования любого проекта НАПЛ с ЭХГ в целом так и для сравнения нескольких вариантов СХГВ с последующим выбором оптимального;

- разработанная методика может быть использована в процессе проектирования надводных кораблей, автомобилей, при создании любых образцов гражданской техники с энергетическими установками на основе ЭХГ;

- созданная методика не зависит от типа ЭХГ, требований к чистоте водорода, ситуации на рынке используемых материалов и реагентов. Личный вклад автора.

При непосредственном участии автора проводились: постановка задачи исследования, разработка математических моделей СХГВ, выполнение расчетных исследований и анализ их результатов. Апробация работы.

Результаты работы апробированы на ряде научно-технических конференций: 5-я международная научно-практическая конференция «Достижения ученых XXI века», Тамбов, 20 июля 2010, 7-я международная научно-практическая конференция «Наука на рубеже тысячелетий», Тамбов, 29-30 сентября 2010, 5-я международная научно-практическая конференция «Наука и современность - 2010», Новосибирск, 4 октября 2010. По результатам докладов опубликованы четыре статьи в сборниках конференций. Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ. Из перечисленных работ 5 выполнено в личном авторстве. Доля автора в остальных составляет от 33 до 50%. В изданиях, рекомендуемых перечнем ВАК РФ, опубликованы 2 статьи, одна из которых выполнена в личном авторстве, доля автора в другой составляет 50%.

На защиту выносятся

-методики получения уравнений и неравенств, содержащих ограничения

областей допустимых значений переменных;

-модель оптимизационного исследования;

-методики и алгоритмы оптимизации на ЭВМ;

-результаты численного эксперимента.

Структура и объем работы.

Введение, 5 глав, Заключение, Список литературы - 77 наименований. Общий объем 204 стр. с рисунками и Приложением - распечаткой программ.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится краткое обоснование актуальности работы и определяется место рассматриваемых проблем в контексте водородной энергетики, обосновывается целесообразность оптимизации СХГВ, определяются направление и цели исследования, дается общая характеристика и структура работы.

В первой главе рассмотрена история развития воздухонезависимых энергетических установок (ВНЭУ) подводных лодок (ПЛ) с момента возникновения подводного флота (начало 20 века) до наших дней. Приведены основные типы ВНЭУ: дизельный двигатель, работающий по замкнутому циклу (ДЗЦ), двигатель Стерлинга, паровая турбина замкнутого цикла, электрохимический генератор, описаны принципиальные схемы работы каждой из указанных энергетических установок (ЭУ), проблемы, с которыми сталкивались конструкторы в процессе эволюции данных ЭУ, современное состояние разработок в области создания ВНЭУ.

Показано, что исследования в области ВНЭУ начались одновременно с появлением первых ПЛ. Первая ВНЭУ в России была реализована на лодке «Почтовый» проекта С.К. Джевецкого в 1906 г.

На корабле в надводном положении воздух поступал к двум бензиновым двигателям мощностью по 130 л.с. через входной люк, в подводном положении для работы одного двигателя воздух хранился в 45 баллонах при давлении 20 МПа. Запас воздуха составлял примерно 11 м3, что было рассчитано на 4 часа работы бензиновых моторов. Выхлопные газы удалялись за борт компрессором. Для привода рулевой машины и для освещения помещений использовалась динамо-машина. Гребные электродвигатели и аккумуляторные батареи отсутствовали.

Германия также проводила интенсивные разработки в области создания подводных лодок с единым двигателем внутреннего сгорания, названного «крейслауф». Позднее на немецких ПЛ использовались установки Вальтера, в которых в качестве окислителя использовалась перекись водорода.

Великобритания пыталась использовать немецкий опыт в создании ПЛ с парогазотурбинной установкой (ПГТУ).

В США также с использованием немецких трофейных разработок производились работы по созданию дизельной энергетической установки с

6

замкнутым рабочим циклом и жидким кислородом в качестве окислителя. В процессе создания ЭУ жидкий кислород заменили перекисью водорода.

С началом строительства атомного подводного флота интерес к обычным ВНЭУ в ведущих кораблестроительных странах резко снизился.

Однако, начиная с 80-х гг. в мировом кораблестроении наметились тенденции к воссозданию ВНЭУ для НАПЛ. На рынке мировых вооружений в части подводного кораблестроения с ВНЭУ наибольшая конкуренция ожидается в ближайшем будущем между Россией и Германией. Россия предлагает на экспорт неатомные подводные лодки проекта «Амур 1650» (проектант - ЦКБ МТ «Рубин», г. Санкт - Петербург), Германия успешно экспортирует НАПЛ проектов «С/-212» и «£/-214».

Страны Европы также предлагают свои проекты ПЛ с ВНЭУ: «Апхолдер» (Великобритания), «Агоста-90», «Скорпен» (Франция), «Викинг» (Швеция), «Усовершенствованный Сауро» (Италия). При этом в подводном кораблестроении преобладают 4 типа воздухонезависимых установок: на основе ЭХГ, ДВС ЗЦ, с двигателями Стирлинга и с ПТУ типа МЕ8МА.

Выполнен сравнительный анализ ВНЭУ различных типов, по результатам которого установлено, что ВНЭУ на основе электрохимического генератора по виброакустическим характеристикам и КПД превосходит другие анаэробные энергоустановки. Продуктами реакции являются только электрический ток и вода. Все это позволяет рассматривать ЭХГ как наиболее перспективный тип ВНЭУ. При этом применение ЭХГ позволяет обеспечить непрерывную дальность плавания НАПЛ до 2000 миль.

Во второй главе изложен принцип работы электрохимического генератора, достоинства и недостатки такой ВНЭУ, представлена классификация ЭХГ.

К недостаткам ЭУ данного типа следует отнести небольшой срок службы электродов топливных элементов (~ 5000 ч); высокую стоимость самих топливных элементов (ТЭ) и технологическую сложность изготовления.

Вместе с тем, ЭУ с ЭХГ находят все более широкое применение на подводных объектах ведущих морских держав, в частности, Германии.

В нашей стране работы по созданию НАПЛ с ЭХГ были начаты в 1970-х гг. в ЦКБ «Лазурит». На ПЛ проекта 613 был установлен ЭХГ мощностью 280 кВт. В качестве рабочих реагентов использовались водород и кислород в криогенном состоянии, хранившиеся в емкостях вне прочного корпуса НАПЛ. Эксплуатация подводной лодки «Катран» проекта 613Э подтвердила принципиальную возможность создания подобного типа воздухонезависимых энергетических установок. Схема ЭУ с ЭХГ для ПЛ «Катран» представлена на рис. 1.

Крмостчьг О,

Оисидоо

абъспвгтнш рабочими

хкято&ш'пяш

Главный гр&бът

Щит оигоим* ЗАвЙ-ГРО/утгОТвАвЙ

Система отвела *>. схложа©«*« НР

Рис. 1. ЭУ с ЭХГ ПЛ «Катран»

В период с 1978 по 1986 гг. Специальное конструкторское бюро котлостроения (СКБК) разработало ЭУ с ЭХГ для малой ПЛ «Пиранья», глубоководного подводного аппарата «Поиск-6», подводного средства движения «Сирена-К».

Для НАПЛ 4 поколения проекта 677 «Лада» (разработан в ЦКБ МТ «Рубин») ОАО «СКБК» спроектировало универсальный отсек с ЭХГ-генератором, который может врезаться между вторым аккумуляторным и дизель - генераторным отсеками. В этом отсеке располагается ВНЭУ «Кристалл-27», включающая ЭХГ водородно-кислородного типа.

Таким образом, в России существует значительный задел в области практического освоения энергетических установок с ЭХГ для подводных лодок.

Классификация топливных ячеек ЭХГ - генераторов чаще всего осуществляется по следующим признакам:

- агрегатное состояние топлива (газообразное, жидкое и твердое);

- тип электролита (щелочной или кислотный);

- агрегатное состояние электролита (жидкий или твердый);

- температурный интервал, в котором работает ЭХГ (интервал низких температур - до +100°С; интервал средних температур — от +100 до +300°С; интервал высоких температур - свыше +300°С).

Наиболее распространенные в настоящее время водородно-кислородные топливные элементы характеризуются высокими плотностями тока в диапазоне низких температур.

На аноде ТЭ происходит окисление водорода по реакции:

2Нг +40Н" —> 4НгО + 4е.

Получаемые в результате реакции электроны по внешней цепи поступают на катод, совершая на своем пути работу. На катоде происходит восстановление кислорода (присоединение электронов) по суммарной реакции:

02 + 2Н20 + 4е ->40Н~.

В электролите гидроксил-ионы двигаются от катода к аноду. Электролит служит ионным проводником тока между электродами. Суммарная реакция в элементе:

2Н2 + Ог <->2Н20.

Для повышения активности электродов на их поверхность наносят слой катализатора из благородного металла. Образующуюся в порах электрода воду удаляют как правило при помощи циркулирующего водорода.

Водородно-кислородные топливные элементы разделяют на две основные группы: со свободным электролитом и с матричным электролитом. В качестве свободного электролита используют водный раствор щелочи КОН, вследствие его высокой электрической проводимости, каталитической активности и малой агрессивности по отношению к большинству материалов. Концентрация электролита обычно составляет 30% и определяется необходимым значением электрической проводимости.

В качестве электролита в топливном элементе может быть использован матричный электролит, представляющий собой диафрагму с ионной проводимостью. Такой электролит позволяет упростить конструкцию топливной ячейки и значительно уменьшить размеры последней.

Твердополимерные электролиты (ТПЭ) - наиболее перспективное направление в области низкотемпературных ЭХГ.

Среди ТПЭ наиболее известны и давно используются за рубежом полимерные мембраны «ЫаПоп» на фторуглеродной основе. Российским аналогом является материал МФ-4СК. Перенос заряда в таких материалах осуществляется за счет перехода катионов с одной сульфогруппы на другую.

Другим вариантом классификации ЭУ с ЭХГ является классификация по поколениям.

К первому поколению ЭХГ относят энергоустановки на низко- и среднетемпературных топливных элементах.

В низкотемпературных ТЭ со щелочным электролитом используется водород высокой чистоты. Они применяются в космической технике, кораблестроении, автомобильном транспорте и в системах аккумулирования энергии. Разработаны и испытаны ЭУ мощностью выше 100 кВт. Удельная мощность ЭХГ составляет 50 - 60 Вт/кг. ТЭ с твердополимерным электролитом не так требовательны к чистоте реагентов.

Второе поколение ЭУ с ЭХГ представлено высокотемпературными ТЭ с расплавленным карбонатным электролитом (ТЭРКЭ), в качестве горючего в которых используется природный газ и уголь.

К третьему поколению ЭУ с ЭХГ относятся высокотемпературные ЭХГ с твердооксидным электролитом (ТЭТОЭ).

Энергетическая установка с ЭХГ кроме батареи топливных элементов включает в свой состав системы хранения и подачи горючего и окислителя, отвода продуктов реакции и теплоты, системы автоматического регулирования и дистанционного управления ЭУ, заполнения инертным газом, электроснабжения, дренажа и другие вспомогательные системы.

В третьей главе рассматриваются системы хранения водорода: газобаллонная система хранения (ГБС), хранение в гидриде интерметаллического соединения Ьа№5 (ИМС), хранение газообразного водорода в стеклянных микробаллонах (МБС). Выбор именно этих трех вариантов обусловлен опытом использования водорода на флоте и возможностями современной отечественной промышленности: криогенное хранение исключено из рассмотрения по причине высокой пожаровзрывоопасности (Ткип водорода 20,8 К), нанотубулены и другие интерметаллиды не освоены в России.

Традиционным способом хранения газов является хранение в баллонах под давлением. Газообразный водород может храниться в баллонах под давлением до 100 МПа. При этом могут использоваться многослойные баллоны, внутренние стенки которых изготавливаются из нержавеющих сталей аустенитного класса, а наружные - из высокопрочных сталей. Газобаллонная система хранения водорода включает в себя кроме собственно баллонов трубопроводы, арматуру, блок управления.

При высоких давлениях отклонение водорода от идеального газа значительно, поэтому расчет параметров системы в данной работе проводился по модифицированному уравнению Ван-дер-Ваальса:

(р + 397^''7)(у-0.010667) = 4124 Г.

Решая уравнение при д = 40 МПа и Т = 323 К (максимальная температура в отсеке), получим значение удельного объема: уи = 0,00008888 м3/моль, откуда плотность водорода определится: р= ц/ V,, = 2000/0,00008888 = 22,5 кг/м3.

Масса газа в одном баллоне объемом 40 л т=У-р= 0,04-22,5 = 0,9 кг. Количество баллонов для хранения 1000 кг водорода N = 1000/0,9 = 1111. Масса заправленного баллона из титанового сплава Мб=48,54+0,9 = 49,44 кг Таким образом, отношение массы газа к массе заправленного баллона 0,9/49,44=0,018= 1,8%.

Для баллона из углеродистой стали получена массовая доля водорода менее 1%.

Рассмотрена проблема диффузии водорода в материал стенок баллона.

Для расчета коэффициента диффузии водорода в титановый сплав применен закон Сивертса (зависимость коэффициента диффузии от давления)

й = кЛ)

и закон Аррениуса (зависимость от температуры)

где О0 - предэкспоненциальный фактор, не зависящий от температуры.

Проникновение растворенного вещества в растворитель в соответствии с законом Фика рассматривается аналогично проникновению теплоты в проводник тепла. Такой подход позволил для математического описания диффузионных процессов использовать уравнения, которые применял Фурье к законам теплопроводности.

В соответствии с этой аналогией, если предположить, что диффузия происходит только в направлении оси х и что концентрация растворенного вещества с не зависит от у и г, то количество растворенного вещества проходящее за время с/г через поверхность Б при концентрации с(х) составит:

дс

4 дх

где коэффициент диффузии О является константой, зависящей от природы растворителя и растворенного вещества.

В работе принято, что коэффициент диффузии Б не зависит от координат. В таком случае для цилиндра изменение концентрации диффундирующего вещества в соответствии со вторым уравнением Фика определим так:

я /я, Г, п(8'с ,дс( 5сТ) д2с 1 6с

дс!д1= 0АС = 0\ —т- +--г— = £> —г + —г +--

гдг{ дг)) дг1 г дг

В полом цилиндре, длина которого существенно больше радиуса, общее решение нестационарной задачи выглядит следующим образом:

с(г,1) = £ Ап У0(алг)ехр(-а„2О0,

п=\

где А - постоянная, зависящая от граничных условий задачи, ^¡(а„г) — функция Бесселя нулевого порядка, ап - корни уравнения У0(Аап)=0.

В настоящей работе, для воздухонезависимой энергоустановки подводной лодки в случае хранения водорода под давлением 40 МПа при температуре 20 °С в баллоне из титанового сплава ВТ20Л размерами И = 1274 мм, <1вн = 200 мм коэффициент диффузии будет равным £> = 1,42 10"9 см2/с, а количество водорода, теряемое в результате диффузии через стенки 1126 баллонов за 15 суток, рассчитанное по приведенной выше методике, составит 565 г.

Далее рассмотрена микробаллонная система хранения водорода. В настоящее время одним из перспективных способов хранения водорода является хранение его под высоким давлением в микробаллонах, представляющих собой сферические сосуды из стекла или полимеров радиусом 20-600 мкм. Микробаллоны заполняют водородом при температурах 473-673 К путем диффузии молекул газа через стенки. После охлаждения водород хранится в них под давлением.

Напряжение в материале оболочки баллона радиусом Я, с толщиной стенки Ь, которое создает газ под давлением р, определится:

2Й

При этом долговременная прочность материала микробаллона [а] должна превышать а .

Следует отметить, что различные дефекты поверхности, разнотолщинность и несимметрия формы снижают критическое давление в несколько раз.

Зависимость газопроницаемости материала микросфер от температуры аналогична температурной зависимости коэффициента диффузии (закону Аррениуса):

где Е-энергия активации, А=1,3810"23 Дж/К - постоянная Больцмана.

Следующим рассматриваемым методом хранения является аккумулирование водорода в интерметаллических соединениях.

Интерметаллиды поглощают водород при повышении давления и понижении температуры и выделяют водород при нагреве и понижении давления. Термодинамическое равновесие в гидридообразующей системе описывается уравнением

д Я

ш р =---,

нт

где ДН - энтальпия образования гидрида, Я - универсальная газовая постоянная, ДБ - энтропия образования гидрида.

В подводных лодках проектов 212А, 214 немецких ВМС используется ЭХГ с электролитом в виде протоннообменной мембраны и хранением водорода в гидриде интерметаллида Т1Ре. Параметры некоторых ИМС представлены в табл. 1:

Параметры ИМС_Таблица 1

Соединение Плотность, г/см3 Массовое содержание водорода, %

ЬаЩН6 8,25 1,45

ШеНг 5,47 1,9

Mg2NiH2 2,6 3,8

СеСо3Н4.5 6,95 1,4

В отечественной промышленности есть определенный опыт работы с ИМС Ьа№5 , освоены различные методы получения, и созданы все предпосылки к использованию данного интерметаллида в СХГВ.

Низкий температурный уровень процессов извлечения/поглощения водорода, отсутствие на борту резервуаров с жидким или сжатым газообразным водородом, высокая плотность и, как следствие, небольшой объем системы хранения, а также значительное количество проведенных экспериментальных исследований позволяют рассматривать интерметаллид

ЬаМ15 в качестве одного из наиболее удачных вариантов решения проблемы хранения топлива для ЭХГ.

Результаты расчета интерметаллидной системы хранения водорода для НАПЛ, оснащенной низкотемпературным ЭХГ с расходом водорода 3 кг/ч на номинальном режиме и 6 кг/ч на форсажном представлены в таблице 2. Температура греющей воды на входе в контейнер с ИМС принята = 90°С, на выходе Г"в = 82°С. Начальная температура ИМС I' = 20°С, температура десорбции Г = 80°С.

Результаты расчета СХГВ на основе ИМС лантан-никель Таблица 2

С(Н2), кг/ч г, Ч воды? кВт ^водьи т/ч Д t,°C среднелог.темп.напор к, Вт/м2-град

3 5 15,5 1,66 19 94,4

6 1 65 6,95 19 396

В четвертой главе представлены способы производства водорода на борту ПЛ. С позиции обеспечения взрывопожаробезопасности получение водорода на борту предпочтительнее хранения. Рассмотрены система получения водорода гидролизом боргидрида натрия (БГН) и система получения водорода гидролизом алюминия. Данные СХГВ выбраны вследствие наличия результатов экспериментальных исследований в России (в частности, в БГТУ им. Д.Ф. Устинова) и относительно низких рабочих температур.

В качестве источника водорода на борту подводного объекта может использоваться боргидрид натрия NaBH4. Гидролиз боргидрида натрия приводит к выделению значительного количества водорода: из 1 кг порошка NaBH4 в процессе экзотермической реакции получается 212 г водорода. При контакте с водой в условиях сравнительно невысоких температур (до 305 К) реакция гидролиза практически не идет, происходит образование раствора. Поэтому оправданным является хранение NaBH4 в растворе, что существенно облегчает подачу реагента в зону реакции (выделения водорода). При этом для гарантированного предотвращения реакции гидролиза в процессе хранения в раствор добавляют щелочь NaOH.

При хранении NaBH4 в виде водного раствора массовый выход водорода составит 5,5%, в твердом виде - 21%. Реакция гидролиза идет при температуре 368-413 К, давлении 2,5 МПа, в присутствии катализатора -хлорида кобальта:

NaBH4 + 2НгО = NaB02 + 4Н2 + 117,4 кДж/моль. Параллельно идет реакция

2СоС12 + 4NaBH4 + 6Н20 = 2СоВ +2НВО-, + 4NaCl + 13Н2

Образующийся в ходе последней реакции мелкодисперсный порошок борида кобальта и является фактическим катализатором реакции гидролиза ИаВНф Борид кобальта представляет собой порошок плотностью 7200 кг/м3. Массовая доля хлорида кобальта, определенная экспериментальным путем, составляет 0,02 массовой доли боргидрида натрия в растворе.

При температуре выше 470 К имеет место некаталитический гидролиз.

Другим возможным способом получения водорода является гидролиз металлов, располагающихся в ряду напряжений левее водорода, в первую очередь, алюминия.

Окисление алюминия осуществляется 2-мя способами: по высокотемпературной реакции при 680°С:

2А1 + ЗН20 —> А1203 + ЗН2Т + 938,52 кДж (1)

и по низкотемпературной при 100°С:

2А1 + 6Н20 — 2А1 (ОН)з + ЗН2| + 862,82 кДж (2)

Расход окислителя в реакции (2) в 2 раза выше.

При данном методе получения водорода необходимо учитывать ,что на поверхности алюминия образуется оксидная пленка, для разрушения которой в зону реакции добавляется щелочь.

При температурах выше 300 °С и давлении р=18 МПа пленка разрушается, и необходимости в добавлении щелочи в зону реакции нет.

Для рассмотренных в работе СХГВ рассчитаны массогабаритные характеристики (табл. 3).

Массогабаритные характеристики различных СХГВ_Таблица 3

ГБС, 40МПа МБС ИМС Гидролиз А1 БГН

без щелочи щелочь в растворе в тв.виде

тСХГВ,т 72 7 78 33 54 38 10

у у СХГВ ,дз -, м у г ОТС 0,28 0,1 0,05 0,2 0,31 0,13 0,03

Пятая глава посвящена оптимизации СХГВ, при этом в качестве характеристического критерия (целевой функции) выбраны затраты на производство и эксплуатацию СХГВ.

Постановка задачи является важнейшей частью оптимизационного исследования. В первую очередь был определен количественный характеристический критерий, нахождение минимума которого и является задачей оптимизации. В качестве такого критерия в настоящей работе выбраны удельные затраты, долл./кг водорода, на изготовление и эксплуатацию системы хранения водорода

з = з„+зк

где Зт- текущие затраты на эксплуатацию системы в течение заданного срока службы, зк - капитальные затраты на изготовление системы.

Задачей оптимизации является нахождение минимума приведенных затрат, т.е. минимального значения целевой функции 3 = Дг), где г -множество управляемых переменных, описывающих условия функционирования конкретной СХГВ. В данном исследовании решалась задача условной оптимизации функции нескольких переменных.

Получен общий вид целевой функции для каждой из рассматриваемых

систем:

3 = С т ■ п + С -IV -п +К-—,

Р'К

УУ1

Зцчс =Сетгп + С^1¥п + КС1~, 3А1 = "{.СКа0Нткм„ + Сдтм) + 0 + К-С^ Збп, = "(Сх.оя^ш +СБП1>"БП1 +С,атткат) + 0 + К-СШ1 .

Тогда, поделив правую и левую части уравнений на массу водорода, получим общее выражение для полных затрат на создание и эксплуатацию СХГВ:

где п - число заправок водородом/реагентами, Ср- стоимость 1 кг /-того реагента, IV - удельная (на 1 кг) энергия заполнения емкостей водородом, - коэффициент, учитывающий влияние стоимости арматуры и монтажа на капитальные затраты, С, - стоимость единичного аккумулятора водорода (1 баллона для ГБС, 1 кг сплава для ИМС и т.д.), * - величина, характеризующая содержание водорода в 1 баллоне, 1 кг сплава, или процентный массовый выход водорода в реакции получения. В случаях, когда емкости для хранения подлежат периодической замене, эти затраты

необходимо учитывать, заменив К„ на К^ + Тж ~Тс . В случае, когда срок

службы емкости для хранения совпадает (или превышает) время жизненного цикла корабля, т.е. при равенстве тж=тс, эта поправка равна 0.

Параметры СХГВ, описывающие условия функционирования системы и влияющие на характеристический критерий (целевую функцию) делятся на две группы:

1. границы системы (условия однозначности):

15

- объем СХГВ;

- температура отсека (морской воды в случае забортного хранения);

- число выходов в море, рассчитанное через коэффициент оперативного напряжения и срок эксплуатации корабля;

- чистота хранимого/получаемого водорода;

- время выхода системы на заданный расход водорода и др.

Эти параметры будем считать заданными. Следует иметь в виду, что они могут существенно отличаться для различных типов СЭУ (ЭУ ПЛ, ЭУ ПА, ЭУ НК, ЭУ торпед и т.д.) и в зависимости от характеристик непосредственно электрохимического генератора.

Вторая группа параметров представляет собой переменные, значения которых изменяются в широком диапазоне в зависимости от конкретного способа хранения/генерации водорода. 2. переменные величины:

- стоимость водорода или реагентов;

- конструкционных материалов;

- электроэнергии;

- срок службы аккумуляторов водорода;

- сорбционная способность поглотителей;

- давление хранения/выделения;

- температура хранения/выделения.

Таким образом, модель системы включает уравнение целевой функции, линейные и нелинейные ограничения в виде равенств, ограничения в виде неравенств, зависимости между переменными.

Для решения задач условной минимизации многопараметрических функций на ПЭВМ существует множество различных программ, в работе использована программа MATLAB с оптимизационным пакетом Optimization Toolbox.

Пакет оптимизации Optimization Toolbox как часть системы MATLAB оперирует векторами - одномерными массивами чисел и матрицами -многомерными массивами, т.е. многопараметрическая оптимизация при наличии ограничений в общем случае формулируется следующим образом: min f(x)

при ограничениях в виде равенств g,M = 0, / = 1,2,....,л, ограничениях в виде неравенств

£,(*)< О, i = п + 1,...,т,

параметрических границ

xL<x<xv,

где дг - вектор управляемых переменных, f(x) - скалярная целевая функция.

При изменении начальных условий методологический аппарат не изменится, т.е. разработанный алгоритм может быть применен независимо от типа топливного элемента, чистоты водорода, вида топлива, архитектурно-компоновочных решений отсека ЭУ, модели эксплуатации ПЛ и т.д.

По результатам расчета для методов хранения построены диаграммы, характеризующие соотношения между компонентами целевой функции для каждой из оптимизируемых систем при параметрах точки оптимума:

СТОИМОСТЬ

водорода 21 %

\

«" % "^Д СТОИМОСТЬ

-— »электроэнерги

I и 4%

капитальные

затраты 75% '"""

Рис. 2. Структура затрат на ГБС

Отметим, что при выборе более дорогого материала (сплав титана, композиты) при одинаковом давлении в системе наряду с ростом общей стоимости будет наблюдаться и рост доли капитальных затрат. В случае, когда баллоны подлежат периодической замене, капитальные затраты существенно превышают два остальных слагаемых, и фактически определяют общий уровень затрат.

капитальные

затраты 11

стоимость / \

электроэнерги /

и 26% I У

стоимость /

водорода /

63% /

Рис. 3. Структура затрат на МБС

При использовании микросфер из боросиликатных стекол доля капитальных затрат невелика, однако при использовании стекла ВМП или многослойных микросфер с металлическим покрытием величина капитальных затрат возрастает на порядок и становится основным фактором, определяющим полные затраты наСХГВ.

Рис. 4. Структура затрат на ИМС

ИМС самый дорогой из способов хранения водорода, при этом в данном случае доля капитальных затрат приближается к 100 %. Изменение указанного соотношения может произойти только вследствие значительного подорожания водорода, либо использования водорода высокой чистоты, полученного электролизом воды.

Результаты расчета целевой функции, в долл./кг водорода, представлены в табл. 4:

Результаты расчета целевой функции_Таблица 4

Тип СХГВ Гидролиз алюминия МБС ГБС ИМС БГН

Значение целевой функции 197 218 518 2860 17600

Как видно из табл. 4 оптимальным по критерию наименьших удельных затрат, долл./кг водорода, является система генерации водорода на борту гидролизом алюминия. Минимальное значение целевой функции 197 долл./кг получено в случае безщелочного гидролиза. Однако данный метод может быть реализован при температурах выше 300°С. Поэтому считаем целесообразным принять в качестве основного для ПЛ метод гидролиза алюминия водным раствором щелочи. Однако требуемое значительное количество последней даже несмотря на невысокую стоимость не позволяет данному методу оставаться оптимальным по критерию наименьших затрат на I кг генерируемого водорода. Значение целевой

функции при пересчете составит 4095 долл./кг при условии использования дешевого алюминиевого порошка, получаемого на АЭС.

С учетом приведенных выше соображений вычислим заново значения целевой функции для каждого типа СХГВ (табл. 5).

Результаты расчета целевой функции _ Таблица 5

Тип СХГВ ГБС МБС ИМС Гидролиз алюминия БГН

Значение целевой функции 518 1364 2860 4095 17600

Таким образом, оптимальным признан вариант хранения водорода в баллонах из углеродистой стали под давлением 70 МПа.

Стоимость одного баллона является функцией его объема, материала стенок и давления водорода. При этом, как показал анализ рыночной стоимости баллонов разного объема, с учетом динамики изменения цен за последние пять лет, отношение С/У/ подчиняется логарифмическому закону. К примеру, для баллонов из нержавеющей стали на давление 40 МПа, зависимость стоимости баллона от объема представлена на рис. 5 и аппроксимируется выражением С1=2716,7-1пУ1-2803,9.

Объем, л

Рис. 5. Зависимость стоимости баллона от объема

Как видно из рис. 2 основная доля для ГБС приходится на капитальные затраты, а они в свою очередь зависят от материала и от удельного объема, т.е. от давления. Зависимость затрат от основного параметра системы -давления хранения - представлено на рис. 6.

Р. атм. 3= 21132p"0 56ee

Рис. 6. Зависимость затрат на ГБС от давления водорода Заключение

1. Проанализирована история развития и современные достижения в создании воздухонезависимых энергетических установок.

2. Рассмотрены системы хранения и генерации водорода, обобщен отечественный и зарубежный опыт их эксплуатации, приведены достоинства и недостатки, основные технологические процессы изготовления элементов, принципиальные схемы, рассчитаны массогабаритные характеристики.

3. Обоснована необходимость оптимизации СХГВ по критерию полных затрат в расчете на 1 кг хранимого (получаемого) водорода.

4. Получены зависимости критерия оптимизации от параметров системы, ограничения в виде равенств и неравенств для трех вариантов систем хранения водорода: ГБС, МБС и ИМС, а также для двух вариантов систем получения водорода: гидролизом БГН и гидролизом алюминия.

5. Определены и сведены в итоговую таблицу области допустимых значений переменных.

6. Получено итоговое уравнение целевой функции для каждой системы.

7. В качестве математического инструментария использована программа MATLAB с пакетом Optimization toolbox, в котором оптимизационное исследование проводится по градиентному квазиньютоновскому методу.

8. Проведен расчет полных затрат для вышеуказанных вариантов СХГВ, определена целевая функция и набор переменных - параметров системы, при которых затраты достигнут минимума.

9. Разработан алгоритм исследования, который в совокупности с полученными уравнениями целевой функции, связей между параметрами СХГВ и рекомендациями по выбору исходных данных может быть использован для оптимизации систем хранения или генерации водорода по критерию наименьших затрат на подводных объектах, автомобильном транспорте и в других отраслях народного хозяйства.

Предложенный алгоритм одинаков для случаев хранения и получения водорода, для стационарной и транспортной энергетики.

10. По результатам расчета оптимальным для низкотемпературных систем признан метод хранения водорода в баллонах из углеродистой стали под давлением 70 МПа. В случае, когда температурные ограничения отсутствуют, оптимальным будет получение водорода на борту методом безщелочного гидролиза алюминия.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих изданиях:

а) Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ:

1. Алексин E.H. Хранение газообразного водорода в баллонах под давлением. Определение потерь водорода вследствие диффузии через стенки баллона // Перспективы науки, 2010. № 6 (08). - с. 63 - 69, (автор - 100%).

2. Алексин E.H., Фокин A.A. Хранение водорода в гидриде интерметаллического соединения LaNi5 // Морской вестник, 2010. № 3 (35). -с. 45 - 47, (автор - 50%).

б) Прочие публикации:

1. Алексин E.H., Дядик А.Н. Использование ветроводородных электростанций // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС: межвуз. сб. науч. тр./СПбГТУ РП. СПб., 2007. -с. 121-126, (автор-33%).

2. Алексин E.H., Дядик А.Н., Кучинский Д.М. Хранение водорода в микробаллонных накопителях // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС: межвуз. сб. науч. тр./СПбГТУ РП. СПб., 2009. - с. 25 - 28, (автор - 33%).

3. Алексин E.H., Дядик А.Н., Кучинский Д.М. Определение аэродинамических характеристик микробаллонного накопителя водорода // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС: межвуз. сб. науч. тр./СПбГТУ РП. СПб., 2009. - с. 28-31, (автор-33%).

Издательство СПбГМТУ, Лоцманская, 10 Подписано в печать 30.01.2013. Зак. 4450. Тир.80. 1,05 печ. л.

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

На правах рукописи

АЛЕКСИН ЕВГЕНИИ НИКОЛАЕВИЧ

СПОСОБЫ ХРАНЕНИЯ И ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА НА

ПОДВОДНОЙ ЛОДКЕ

05.08.05 — Судовые энергетические установки и их элементы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Дядик Александр Николаевич

Санкт-Петербург 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1 ВОЗДУХОНЕЗАВИСИМЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ

1.1 Краткая история развития ВНЭУ ПЛ 10

1.2 ВНЭУ на основе ДВС, работающих по замкнутому циклу 17

1.3 ВНЭУ на основе двигателя Стирлинга 38

1.4 ВНЭУ на основе ПТУ замкнутого цикла 47

1.5 ВНЭУ с газогенераторами на гидрореагирующем топливе 49

2 ВНЭУ НА ОСНОВЕ ЭХГ. УСТРОЙСТВО, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

2.1 Водород. Физическая справка 56

2.2 Основные понятия о работе топливного элемента 59

2.3 Классификация электрохимических генераторов 64

2.4 Состав энергетических установок с топливными элементами 67

3 СИСТЕМЫ ХРАНЕНИЯ ВОДОРОДА

3.1 Газобаллонная система хранения (ГБС)

3.1.1 Состав системы 72

3.1.2 Анализ мирового опыта применения ГБС 74

3.1.3 Расчет ГБС для перспективной НАПЛ 79

3.1.4 Диффузия водорода в материал стенок баллона 88

3.2 Микробаллонная система хранения (МБС)

3.2.1 Состав системы 97

3.2.2 Анализ мирового опыта применения МБС 102

3.2.3 Расчет МБС для перспективной НАПЛ 107

3.3 Система хранения водорода в гидридах интерметаллических соединений (ИМС)

3.3.1 Хранение водорода в гидридах металлов 110

3.3.2 Особенности хранения водорода в гидридах ИМС 112

3.3.3 Методы получения ИМС. Основные физико-химические свойства ИМС. Механизм образования гидридов. 117

3.3.4 Анализ мирового опыта применения ИМС 120

3.3.5 Расчет системы хранения водорода на основе ИМС Ьа№5 122

4 СИСТЕМЫ ГЕНЕРАЦИИ ВОДОРОДА

4.1 Получение водорода гидролизом боргидрида натрия

4.1.1 Метод получения водорода гидролизом КаВН4 126

4.1.2 Анализ мирового опыта применения системы 131

4.1.3 Расчет СХГВ на основе БГН 135

4.2 Получение водорода гидролизом алюминиевого порошка водным раствором щелочи

4.2.1 Метод получения. Состав системы 139

4.2.2 Анализ мирового опыта применения системы 143

4.2.3 Расчет СГВ для перспективной НАПЛ 148

4.3 Получение водорода риформингом углеводородного топлива 150

5 ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ СХГВ ДЛЯ ПОДВОДНОГО ОБЪЕКТА 5.1 Определение зависимости стоимости СХГВ от параметров системы

5.1.1 Газобаллонная система хранения 151

5.1.2 Микробаллонная система хранения 156

5.1.3 Хранение водорода в гидридах ИМС 158

5.1.4 Получение водорода гидролизом боргидрида натрия 160

5.1.5 Получение водорода гидролизом алюминия 160

5.1.6 Замыкающие зависимости математической модели 161

5.2 Выбор метода решения оптимизационной задачи 165

5.3 Алгоритм оптимизации. Выбор СХГВ

5.3.1 Алгоритм оптимизации систем хранения водорода 169

5.3.2 Алгоритм оптимизации систем получения водорода 172

5.3.3 Результаты расчета 173

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 178

ЛИТЕРАТУРА 180

ПРИЛОЖЕНИЕ

187

ВВЕДЕНИЕ

В наши дни одним из наиболее мощных и эффективных видов морского оружия являются подводные лодки. При этом неатомные подводные лодки (НАПЛ) обладают рядом преимуществ по сравнению с атомными. Для НАПЛ характерны значительно более низкая стоимость, меньшее водоизмещение, следовательно, возможность действовать в прибрежных районах, а также не столь жесткие требования к пунктам базирования, серьезный разрушительный потенциал при отсутствии проблемы утилизации, транспортировки и хранения ядерного топлива. Однако существенным недостатком НАПЛ с обычной дизель-электрической энергоустановкой является ограниченное время пребывания под водой. Такие корабли в надводном положении движутся с помощью двигателя внутреннего сгорания. В подводном положении главный гребной электродвигатель дизель-электрической подводной лодки (ДЭПЛ) получает электроэнергию от аккумуляторной батареи, емкость которой ограничена. Время нахождения под водой лодок последних поколений не превышает нескольких суток, при условии патрулирования на малых скоростях. Движение в подводном положении на максимальной скорости (порядка 20-25 узлов) разряжает батарею за 2-3 часа. Поэтому мировой рынок подводных лодок испытывает все возрастающую потребность в неатомных подводных лодках, оснащенных воздухонезависимыми энергоустановками, способными повысить важнейшее качество подводной лодки - скрытность - путем увеличения времени пребывания в подводном положении [1].

Эта задача может быть решена путем создания воздухонезависимых энергоустановок на основе электрохимических генераторов, где топливом является водород, а окислителем - кислород. Существуют различные варианты систем хранения водорода на борту, однако эту проблему до сих пор нельзя назвать решенной. К наиболее известным способам хранения водорода относятся: хранение газообразного водорода в баллонах под давлением, криогенное, в инкапсулированном состоянии в микросферах, в

гидридах интерметаллических соединений, в нанотубуленах, в пенометалле -сплаве ячеистого строения на основе магния, алюминия и др. металлов. Общей особенностью для всех вышеперечисленных способов является необходимость заправки системы хранения значительным количеством водорода, необходимым для работы корабельной энергоустановки на требуемых режимах, для поддержания минимального давления в системе и компенсации диффузионных потерь. В этом случае всегда существует определенный риск возникновения на борту чрезвычайной ситуации. Такой опасности можно избежать, если получать водород только в количестве, соответствующем текущей секундной потребности электрохимического генератора. Получать водород на борту можно гидролизом металлов, гидролизом гидридов металлов (в частности, боргидрида натрия), риформингом углеводородного топлива и т.д.

Таким образом, при проектировании системы хранения или генерации водорода (СХГВ) неизбежно возникает проблема выбора. Предпочтение тому или иному типу СХГВ может быть отдано по соображениям взрывопожаробезопасности, экономической целесообразности,

технологичности конструкции, объемным характеристикам системы, исходя из возможностей отечественной промышленности и т.п., так что прежде собственно процесса проектирования необходимо выбрать оптимальный по некоему критерию вариант, т.е. сформулировать и решить задачу оптимизации.

Вместе с тем, анализ источников и состояние современных разработок в области создания СХГВ для ЭУ с ЭХГ свидетельствуют, что при проектировании СХГВ экономическая составляющая зачастую учитывается в последнюю очередь, пути достижения минимума затрат и влияние технических параметров системы на стоимость эксплуатации не рассматриваются.

Поэтому при выборе критерия оптимизации (целевой функции) необходимо обратить внимание на возрастающую роль стоимости

проектируемого изделия при принятии Заказчиком решения о создании того или иного технического средства. Особенно четко проблема оптимизации затрат на создание и эксплуатацию подводной техники проявляется в период экономического кризиса при пересмотре финансирования по государственному оборонному заказу (ГОЗ), а также в контексте конкурентной борьбы на непрерывно растущем международном рынке НАПЛ.

При этом, в стоимость продукта должна быть включена как стоимость его разработки и строительства, так и стоимость эксплуатации и утилизации.

В настоящее время известно достаточно много различных систем хранения и генерации водорода на борту подводных объектов, поэтому важной задачей, на наш взгляд, является выбор оптимальной по экономическому критерию СХГВ для конкретного корабля, с учетом модели использования, возможностей промышленности и требований, предъявляемых Заказчиком. Целью диссертации является не только и не столько непосредственно выбор оптимальной системы, сколько предложение метода оптимизации, когда в качестве критерия оптимизации выбран минимум полных затрат, что может быть востребовано не только в отечественном ВМФ, но и в любых других случаях, когда речь идет о выборе оптимальной СХГВ для объектов транспорта. Цели работы:

- Рассмотреть возможные варианты получения и хранения водорода на борту подводной лодки;

- Выбрать типы СХГВ, производство которых возможно в современных условиях в России;

- Определить зависимость критерия оптимизации - полных затрат от параметров системы и граничных условий для основных возможных вариантов СХГВ;

- Выбрать метод оптимизации;

- Составить алгоритм оптимизационного исследования;

- Провести расчет по полученной методике для конкретного набора вариантов СХГВ.

По теме диссертации опубликовано 5 работ [2-6].

Основные результаты работы были представлены на конференциях [7-10]: 5-я международная научно-практическая конференция «Достижения ученых XXI века», Тамбов, 20 июля 2010, 7-я международная научно-практическая конференция «Наука на рубеже тысячелетий», Тамбов, 29-30 сентября 2010, 5-я международная научно-практическая конференция «Наука и современность - 2010», Новосибирск, 4 октября 2010. По результатам докладов опубликованы четыре статьи в сборниках конференций.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения.

В первой главе рассмотрена история развития воздухонезависимых установок подводных лодок с момента возникновения подводного флота (начало 20 века) до наших дней. Приведены основные типы ВНЭУ: дизельный двигатель, работающий по замкнутому циклу (ДЗЦ), двигатель Стерлинга, паровая турбина замкнутого цикла, электрохимический генератор (ЭХГ), описаны принципиальные схемы работы каждой из указанных энергетических установок (ЭУ), проблемы, с которыми сталкивались конструкторы в процессе эволюции данных ЭУ, современное состояние разработок в области создания ВНЭУ.

Во второй главе изложен принцип работы электрохимического генератора, достоинства и недостатки такой ВНЭУ, представлена классификация ЭХГ.

В третьей главе рассматриваются системы хранения водорода: газобаллонная система хранения (ГБС), хранение в гидриде интерметаллического соединения Ьа№5 (ИМС), хранение газообразного водорода в стеклянных микробаллонах (МБС). Выбор именно этих трех вариантов обусловлен опытом использования водорода на флоте и возможностями современной отечественной промышленности: криогенное

хранение исключено из рассмотрения по причине высокой пожаровзрывоопасности (Ткип водорода 20,8 К), нанотубулены и другие интерметаллиды не освоены в России.

В четвертой главе представлены способы производства (генерации) водорода на борту ПЛ. Рассмотрены система получения водорода гидролизом боргидрида натрия (БГН) и система получения водорода гидролизом алюминия. Данные СХГВ выбраны вследствие наличия результатов экспериментальных исследований в России (в частности, в БГТУ им. Д.Ф. Устинова) и относительно низких рабочих температур.

Пятая глава посвящена оптимизации СХГВ, при этом в качестве характеристического критерия (целевой функции) выбраны затраты на производство и эксплуатацию СХГВ. Сформулированы граничные условия, поставлена задача оптимизационного исследования, определены зависимости целевой функции от параметров системы для каждой СХГВ, на основании которых получено результирующее уравнение целевой функции, позволяющее произвести расчет для любого варианта СХГВ.

Научная новизна.

Впервые проведен панорамный анализ систем хранения и генерации водорода применительно к условиям отечественной НАПЛ 4 поколения с энергетической установкой на основе ЭХГ «Фотон», исходя из текущей ситуации в судостроительной, химической и металлургической промышленности России. Обоснована необходимость оптимизации затрат на производство и эксплуатацию СХГВ, рассмотрены варианты решения задачи оптимизации и разработана математическая модель оптимизационного исследования на основе квазиньютоновского метода с помощью программы МАТЪАВ 6.5. Произведен расчет затрат на создание и эксплуатацию пяти различных СХГВ для НАПЛ с ЭХГ «Фотон», по результатам которого определена оптимальная по затратам система.

Практические результаты:

Полученная в диссертации методика позволяет производить оценку любой СХГВ по критерию наименьших полных (капитальных и эксплуатационных) затрат, что может быть использовано как в разработке технико-экономического обоснования любого проекта НАПЛ с ЭХГ в целом так и для сравнения нескольких вариантов СХГВ с последующим выбором оптимального.

Объем диссертации составляет 204 страницы, включая 17 рисунков, 14 таблиц и библиографию, содержащую 77 наименований.

1 ВОЗДУХОНЕЗАВИСИМЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ

1.1 Краткая история развития ВНЭУ ПЛ

В настоящее время принципиально состав энергетических установок дизель-электрических подводных лодок по сравнению с ДЭПЛ начала 20 века не изменился, единственным нововведением можно считать полное электродвижение. Тем не менее, понятие ДЭПЛ практически вышло из употребления, уступив место термину НАПЛ - неатомные подводные лодки. Основным недостатком ДЭПЛ является необходимость периодического всплытия на перископную глубину для зарядки аккумуляторных батарей, что при современных средствах слежения практически однозначно демаскирует ПЛ. Таким образом, актуальной задачей является создание всережимной воздухонезависимой энергетической установки. Следует отметить, что исследования в области воздухонезависимых энергоустановок (ВНЭУ) начались одновременно с появлением первых ПЛ. Первая ВНЭУ в России была реализована на лодке «Почтовый» проекта С.К. Джевецкого в 1906 г. [1].

На корабле в надводном положении воздух поступал к двум бензиновым двигателям фирмы «Панар - Левассор» мощностью по 130 л.с. через входной люк, в подводном положении для работы одного двигателя воздух хранился под давлением в 45-и баллонах при давлении 20 МПа. Запас воздуха составлял примерно 11 м3, что было рассчитано на 4 часа работы бензиновых моторов. Выхлопные газы удалялись за борт компрессором. Для привода рулевой машины и для освещения помещений использовалась динамо-машина. Гребные электродвигатели и аккумуляторные батареи отсутствовали.

Строительство ПЛ «Почтовый» началось в 1906 г., в состав военно-морского флота Российской Империи лодка была принята 30 сентября 1908 г. Несмотря на то, что испытания ПЛ показали работоспособность ВНЭУ, данный корабль остался в единственном экземпляре. Недостатками данной ПЛ являлись высокий уровень шума, сложность ВНЭУ, что требовало высококвалифицированного обслуживающего персонала и появление газовых пузырьков на поверхности моря при движении «Почтового» в подводном положении.

В Советском Союзе работы по созданию ВНЭУ для ПЛ вновь начались в 1930-х гг. Данное направление развития энергоустановок было воплощено в установках РЕДО, ЕД-ВВД, ЕД-ХПИ. ВНЭУ с химическим поглотителем отработавших газов предназначалась подводной лодки проекта М-401, строительство которой завершилось в 1941 г. В 1950-х годах была построена серия из 30 ПЛ проекта А615 с ЕД-ХПИ. [1]

В энергетической установке данного типа выхлопные газы из дизеля поступали в газоохладитель, где охлаждались и освобождались от водяных паров и частично от механических примесей. Далее газы поступали в специальные химические фильтры, где освобождались от углекислого газа и одновременно разогревались за счет химической реакции. После фильтров газы повторно освобождались от избыточной влаги, обогащались кислородом и поступали в дизельный отсек. Необходимо отметить, что на

подводных лодках с двигателями такого типа нередко случались аварии, что говорит о повышенной опасности подобных ВНЭУ.

Германия также проводила интенсивные разработки в области создания подводных лодок с единым двигателем внутреннего сгорания, названного «крейслауф», что в переводе с немецкого означает «круговорот». Работы по созданию этого двигателя начались в Германии еще в 30-х гг., его окончательная отработка была завершена в ходе Второй мировой войны. Эти ПЛ проекта £/-798 должны были оснащаться гребными электродвигателями с аккумуляторными батареями, поскольку высокий уровень шума и вибрации, сопровождавшие работу дизеля, делали лодку уязвимой для шумопеленгаторов противника и при этом не позволяли эффективно использовать собственные средства гидроакустического обнаружения.

Энергетическая установка ПЛ проекта U-798 имели на борту 25 т газообразного кислорода под давлением 40 МПа, размещенного в стальных баллонах и 40 т криогенного кислорода, размещенного в сосудах Дьюара.

Гельмут Вальтер считается первым, кто обратил внимание на факт воспламенения топлива в присутствии перекиси водорода без доступа воздуха. Даль