1 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM Cuprins 1.INTRODUCERE ........................................................................................................... 2 2.HIDROGENUL SURSALTERNATIVDE ENERGIE .............................................. 7 2.1.Proprietile hidrogenului ........................................................................................ 7 2.1.1.Structura atomic ............................................................................................. 7 2.1.2.Proprieti fizice ............................................................................................. 10 2.1.3.Proprieti chimice ......................................................................................... 17 2.2.Producerea hidrogenului ...................................................................................... 29 2.2.1.Obinerea hidrogenului prin metode termice .................................................. 30 2.2.2.Metode chimice de obinere a hidrogenului ................................................... 35 2.2.3.Metode biologice de obinere a hidrogenului ................................................. 37 2.3.Automobile alimentate cu hidrogen ...................................................................... 38 3.ARDEREA HIDROGENULUI N MOTORUL CU ARDERE INTERN ....................... 39 4.Memoriu de calcul ...................................................................................................... 48 4.1.Calculul termic ...................................................................................................... 48 4.2.Calculul cinematic ................................................................................................ 59 4.3.Calculul organologic ............................................................................................. 73 4.3.1.Proiectarea blocului motor ............................................................................. 73 4.3.2.Proiectarea pistonului .................................................................................... 74 4.3.3.Calculul segmenilor ...................................................................................... 79 4.3.4.Calculul cilindrului cu cma umed ............................................................ 82 4.3.5.Calculul bolului .............................................................................................. 84 4.3.6.Calculul bielei................................................................................................. 88 4.3.7.Calculul arborelui cotit ................................................................................. 100 4.3.8.Calculul mecanismului de distribuie ............................................................ 104 5.Procesul tehnologic de prelucrare a pistonului ......................................................... 118 6.Desene ..................................................................................................................... 120 7.Concluzii ................................................................................................................... 121 8.Bibliografie ............................................................................................................... 122 2 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM

1.INTRODUCERE Automobilul a devenit cel mai popular mijloc de transport i un simbol al libertii personale. Acest succes ns a dat natere i la o serie de probleme legate de protecia mediului. Majoritatea autovehiculelor sunt propulsate de motoare cu ardere intern. Motorul cu ardere intern este motorul care transform energia chimic a combustibilului prin ardere, n interiorul motorului, n energie mecanic. Energia caloric rezultat n camera de ardere, se transform cu ajutorul mecanismului motor, din micarerectilinie alternativ a pistonului n micare de rotaie a arborelui cotit. Pentru obinerea energiei calorice este necesar arderea unui amestec carburant, format dintr-un combustibil lichid sau gazos i aer. Combustibilii lichizi utilizai sunt de tipul: benzin, motorin, gaz petrolier lichefiat, etc. Aerul necesar arderii este luat din atmosfer. n general, arderea se realizeaz in condiiile urmtoare: Motoarele autovehiculelor,prin procesul de ardere, elibereaz in atmosfer o serie de poluani. Printre principalii poluani se numr: -Dioxid de Sulf (SO2); -Particule in suspensie (PM10); -Oxizii de azot (NOx); -Ozonul (O3); -Benzenul (C6H6). Fig.1-1 Schema general a arderii n motorul cu ardere intern 3 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM -Oxidul de carbon (CO); Dioxidul de sulf SO2 Emisiile de SO2provin n special din instalaiile care ard combustibili fosili. O lung perioad de timp, vehiculele dotate cu motoare diesel, au contribuit la poluarea atmosferei cu dioxid de sulf din motorina utilizat drept combustibil n transporturi. Astzi, participarea traficului rutier la poluarea global cu dioxid de sulf a sczut simitor. Concentraiilenalte de SO2 pot altera funciile respiratorii pentru copii i adulii bolnavi de astm. Expunerea ndelungat la SO2asociat cu un nivel ridicat de particule n suspensie,poate altera funciile plmnilor i agrava bolile cardiovasculare existente.Emisiile de SO2 constituie un precursor major al ploilor acide, care contribuie la rndul lor la acidificarea solului, apelor, accelereaz coroziunea cldirilor i monumentelor i reduc vizibilitatea atmosferic. Particulele n suspensie (PM10) Termenul de particule este utilizat pentru un amestec de particule solide i picturi lichide care se gsesc n suspensie n atmosfer. O serie de particule sunt de dimensiuni mari, sau au culoare nchis,ca s fie observate ca funingine sau fum. Altele sunt att de mici c pot fi detectate numai cu un microscop electronic. Particulele fine au dimensiuni mai mici de 2.5 m (PM 2.5) i ele au ca origine arderea n motoarele autovehiculelor, n instalaii energetice,ninstalaiile industriale precum i ninstalaiile de nclzit casnice. Particulele cu dimensiuni mai mici de 10 m sunt generate de traficul pe strzi nepavate, la manipularea unor materiale, la operaiile de sfrmare i mcinare, precum i la Fig. 1-2 Poluarea produs de autovehicul 4 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM antrenarea prafului de vnt. Anumite particule sunt emise direct de la surs, couri sau eapamentul autovehiculelor. n alte cazuri, gazele,cum ar fi oxidul de sulf, NOx i compuii organici volatili, interacioneaz cu ali compui aflai n aer i formeaz particule fine. Compoziia chimic i fizic a particulelor variaz n funcie de locaia geografic, anotimp i vreme. Oxizii de azot NOx

Mai mult de jumtate din emisiile de oxizi de azot se datoreaz traficului rutier, restul fiind datorat instalaiilor de nclzire i industrie. Dioxidul de azot este recunoscut pentru impactul negativ asupra sntii prin afectarea cilor respiratorii. Efectele asupra faunei sau florei nu sunt identificate cu claritate. Oxizii de azot intervin ns la formarea ozonului de suprafa, fenomen mai important n mediul interurban.Oxizii de azot contribuie de asemenea la formarea ploilor acide, la acidificarea apelor dulci i a celor costiere i la creterea nivelului de toxine din corpul petilor i a altor vieuitoare acvatice.Ozonul(O3) Ozonul de suprafa este un poluant secundar care se formeaz prin reaciile dintre NOx i compuii organici volatili n prezena cldurii i radiaiei solare. Oxizii de azot sunt emii de ctre autovehicule, instalaii energetice i alte surse de ardere, iar compuii organici volatili au drept surs emitent autovehiculele, fabricile chimice i alte surse industriale. Expunerea pe termen lung la nivelele moderate de ozon poate produce schimbri ireversibile la nivelul plmnilor,care pot determina apariia prematur a bolilor cronice de plmni. Benzenul (C6H6) Benzenul este un constituent de origine al produselor petroliere i se regsete att n benzinele ct i n motorinele utilizate la alimentarea motoarelor autovehiculelor. Analiza gazelor de evacuare arat prezena benzenului chiar n cazul n care combustibilul nu a coninut benzen, ceea ce demonstreaz formarea lui n timpul proceselor ce au loc n motor. Populaia expus la emisiile de benzen de o anumit concentraie i timp de expunere are anse mrite de a se mbolnvi de cancer. Alte efecte asupra sntii pot fi: distrugerea sistemului imunitar, neurologic i reproductiv, efecte care se dezvolt ncet n timp, dup luni i ani de la expunerea iniial. [2] 5 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM Monoxidul de carbon (CO) Monoxidul de carbon (CO) este un gaz incolor i inodor,cu un grad nalt de nocivitate i este generat prin arderea incomplet a combustibilului n motoarele autovehiculelor. Vrfurile concentraiilor de CO n atmosfer se ntlnesc n lunile reci ale anului, cnd emisiile de CO ale autovehiculelor sunt mai mari. Agenia de Protecie a Mediului (EPA) din Statele Unite ale Americii consider dioxidul de carbon un produs al arderii "perfecte", ns acum el este vzut ca o ngrijorare privind poluarea. Dioxidulde carbon (CO2) Dioxidul de carbon este un gaz incolor, prezent i n atmosfera terestr n concentraie de aproximativ 0,04%. Dioxidul de carbon din atmosferreprezint un imens rezervor de carbon, din care plantele i construiesc substana lor. La rndul lor plantele servesc drept hrananimalelor. Dioxidul de carbon din atmosfera este pe de o parte consumat (asimilat) de plante, pe de alt parte regenerat continuu prin respiraia plantelor i animalelor i prin putrezirea cadavrelor lor. O surs artificial de producere a CO2 vrsat n atmosfer,n proporie de 4/5,o constituie arderea combustibililor fosili (crbuni, petrol, gaze naturale). Cantitatea de CO2 variaz pe parcursul unei zile i pe anotimpuri, fiind mai redus ziua dect noaptea, mai redus vara dect iarna, mai crescut toamna dect vara i iarna. Ziua , concentraia sa scade puin,deoarece este folosit de planten fotosintez, noaptea,creste uor,datorit respiraiei organismelor (plante, animale, bacterii) i lipsa fotosintezei. Crete de asemenea toamna,din cauza reducerii intensitii fotosintezeii intensificrii respiraiei microorganismelor din sol,care descompun substanele organice. Vara,are loc o scdere a concentraiei de CO2 din cauza fotosintezei, iarna,crete concentraia datoritrespiraiei organismelor, arderii combustibililor i lipsei fotosintezei. Dioxidul de carbon i alte gaze din atmosfer acioneaz ca sticla unei sere, permind ptrunderea radiaiei solare, dar mpiedicnd reflectarea n spaiu a unei anumite proporii din cldura neabsorbit de suprafaa terestr. Producerea acestui fenomen este previzionat nc din anul 1896 dectre Svante Arrhenius,care a artat c dioxidul de carbon rezultat din arderea combustibililor fosili va depi capacitatea de absorbie a acestuia de vegetaie i ap, introducnd sintagma efect de ser. 6 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM Efectul de ser are rolul de reinere a unei cantiti tot mai mari din energia remis de sol i atmosfer, sub form de infraroii,de ctre nori i gazele poluante. Intensitatea acestui fenomen depinde de concentraiade CO2din atmosfer i are implicaii n influenarea condiiilor climaterice globale.Acesta determincreteri ale temperaturilor medii globale. n acest sens trebuie amintit deceniul opt al secolului XX,considerat cel mai cald nregistrat vreodat, apreciindu-se c n cursul ultimului secol,temperatura a crescut cu 0,3 0,6 C. Comitetul Interguvernamental al Naiunilor Unite pentru Schimbrile Climatice estimeaz o cretere de temperatur de 1,3 C la nivelul anului 2020 i de 3 C la nivelul anului 2070. Fig. 1-3Ciclul dioxidului de carbon n natur Fig.1-4Media lunar de CO2 la nivel global 7 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM Msuri de reducere a polurii aeruluiUna din msurile de reducere a polurii aerului este micorarea sau eliminarea cantitii de hidrocarburi, care sunt arse n instalaiile industriale i n motoarele cu ardere intern. nlocuirea total sau pariala combustibililor fosili va fi posibil doar atunci cnd vor exista alternative viabile. n prezent se lucreaz la nlocuirea combustibililor fosili cu hidrogen. Anual consumul mondial de hidrogen se cifreaz la peste 500 miliarde metri cubin diverse scopuri i n diferite domenii, a cror varietate i necesiti sunt n cretere,pe msura scderii resurselor de combustibili fosili i schimbrilor climatice datorate creterii emisiunii de CO2 n atmosfer. Pentru a putea asigura accesul diferiilor consumatori la sursele de hidrogen este necesar dezvoltarea unei infrastructuri adecvate. 2.HIDROGENUL SURSALTERNATIVDE ENERGIE 2.1.Proprietile hidrogenului De la creterea alarmanta cantitii de gaze de ser rezultate n urma polurii, toate privirile s-au ntors ctre hidrogen, considerat unul dintre combustibilii viitorului. 2.1.1. Structura atomic Hidrogenul este cel mai simplu element. Putem vizualiza un atom de hidrogen, ca fiind un nucleu central dens, cu un singur electron, care orbiteaz la fel ca o planet n jurul Soarelui. Oamenii de tiin prefer s descrie electronul, ca ocupant al unui "nor de probabilitate", care nconjoar nucleul asemenea unui nveli de form sferic . Fig.2-1Molecula de H2 8 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM n majoritatea atomilor de hidrogen, nucleul este alctuit dintr-un singur proton, dar existi o form rar de atom al hidrogenului (sau izotop) care n nucleu conine pe lng proton i un neutron. Aceast form de hidrogen se numete deuteriu sau hidrogen greu. Exist iali izotopi ai hidrogenului, cum ar fi tritiu, care este format din doi neutroni i un proton, dar aceti izotopi sunt instabili i se degradeaz radioactiv. Cea mai mare parte din masa unui atom de hidrogen este concentrat n nucleu, protonul fiind de 1800 de ori mai mare dect electronul. Neutronii au aproape aceeai mas ca i protonii. Cu toate acestea, raza electronilor de pe orbit, care definete dimensiunea atomului, este de aproximativ 100000 de ori mai mare dect raza nucleului. n mod evident, atomii de hidrogen sunt formai n mare parte din spaiu gol. Atomii celorlalte elemente sunt formai n mare parte din spaiu gol, cu toate c respectivele elemente sunt mai grele i au mai muli electroni. Protonul are sarcina pozitiv,iar electronul are sarcina negativ. Neutronii sunt neutrii din punct de vedere electric. mpreun, sarcinile asociate protonului i electronului, fiecrui atom de hidrogen se anuleaz ntre ele, deci rezultnd c atomii de hidrogen sunt neutrii din punct de vedere electric. Chimic, aranjamentul atomic al unui singur electron care orbiteaz n jurul nucleului este foarte reactiv. Din acest motiv, atomii de hidrogen n mod natural se combin n perechi moleculare (H2 n loc de H). n fizic i chimie, spinul este un moment cinetic propriu a unei particule elementare. Fig.2-2 Structura atomic a moleculei de hidrogen 9 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM n mecanica clasic, impulsul unghiular al unui corp este asociat cu rotaia corpului n jurul propriului su centru de mas. n mecanica cuantic, spinul este deosebit de important pentru sistemele de dimensiuni atomice, cum ar fi atomii, protonii, sau electronii.Astfel de particule au anumite caracteristici neclasice iar pentru ele, impulsul unghiular intrinsec nu poate fi asociat cu o rotaie ci se refer doar la prezena impulsului unghiular. Exist doi izomeri de spin ai moleculei de hidrogen care difer prin spinii relativi ai nucleului. n forma de ortohidrogen, spinii celor doi protoni sunt paraleli i formeaz un triplet, iarn forma de parahidrogen, spinii sunt antiparaleli i formeaz un singlet(n teoria fizicii, singletul reprezint o stare staionar).[4] Peste 75% din hidrogenul normal la temperatura camerei este de tip ortohidrogen. Diferena devine important la temperaturi foarte mici, deoarece ortohidrogenul devine instabili se transform n parahidrogen,care are o structur mai stabil, elibernd cldur n acest proces. Aceast cldur poate complica procesele desfurate la temperaturi joase, n particular lichefierea. 2.1.1.1.Compoziia altor combustibili Este normal pentru noi s comparm hidrogenul cu ali combustibili cunoscui, n special hidrocarburile.Ele reprezint combinaii moleculare ale atomilor de carbon i hidrogen. Aadar exist mii de tipuri de hidrocarburi,fiecare cu o combinaie specific din atomi de carbon i hidrogen, ntr-o geometrie unic. Cea mai simpl hidrocarbur este metanul, care este principalul component al gazului natural. Metanul are formula chimic CH4, care nseamn c fiecare molecul are 4 atomi de hidrogen i un atom de carbon.Alte hidrocarburi cunoscute sunt etanul (C2H6), propanul (C3H8) i butanul (C4H10). Toate acestea sunt considerate hidrocarburi uoare, deoarece conin mai puin de 5 atomi de carbon pe molecul i drept urmare au o mas molecular sczut. Benzina este compus dintr-un amestec de diferite hidrocarburi, cea mai important hidrocarbur fiind heptanul (C7H16). Benzinele, motorinele, kerosenul i compuii gsii n asfalt, uleiuri grele i cear, sunt considerate hidrocarburi grele, deoarece ele conin muli atomi de carbon pe molecul, rezultnd o mas molecular ridicat. n condiii normale de presiune i temperatur, hidrocarburile uoare se gsesc n stare gazoas. 10 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM Hidrocarburile grele, cu numrul de atomilor de carbon de la 5 la 18, sunt n stare lichid, in condiii normale de temperatur i presiune, dar le cresc vscozitatea proporional cu greutatea molecular. Ali combustibili conin alcooli, ale cror molecule sunt formate prin combinarea n perechi a hidrogenului cu oxigenul. Pe lng aceti alcooli, n compoziia combustibilului se mai gsesc i hidrocarburi. Cei mai cunoscui combustibili pe baza de alcool sunt: metanolul (CH3OH) i etanolul (C2H5OH). Acetia pot fi combinai cu hidrocarburi formnd combustibili. 2.1.2.Proprieti fizice 2.1.2.1. Stareade agregareSubstanele existente pe planeta Pmnt sunt prezente n trei stri de agregare: gazoas, lichid sau solid. Majoritatea substanelor i vor schimba starea de agregare n funcie de temperatura i presiunea mediului nconjurtor. n general, un gaz poate fi transformat ntr-un lichid, prin reducerea temperaturii sale, precum i un lichid ntr-un solid, micornd temperatura n continuare. ntr-o anumit msur , o cretere de presiune poate provoca lichefierea sau solidificarea unei substane la o temperatur mai ridicat dect ar fi fost necesar n condiii normale de temperatur i presiune. Tranziia de la starea lichid la starea gazoas se numete fierbere,iar tranziia de la starea lichid la starea solid este denumit ngheare. Fiecare substanare un punct de fierbere i de nghe caracteristic (n funcie de presiune). Tranziiile opuse, din gaz n lichid i din solid n lichid se numesc condensare,respectiv topire. Temperatura de condensare esteacelai lucru cu temperatura de fierbere, iar temperatura de topire este identic cu temperatura de nghe. Fig. 2-3 Schemele moleculare a unor combustibili cunoscui 11 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM Procesul de condensare este de asemenea cunoscut sub numele de lichefiere iar procesul de nghe este ntlnit sub numele de solidificare. Temperaturile de nghe i fierbere sunt cele mai semnificative comparativ cu temperatura zero absolut.Zero absolut (-273.15C) este cea mai joas temperatur din univers la care micarea molecular dispare. Dupheliu, hidrogenul are cel mai sczut punct de fierbere. Hidrogenul este lichid sub punctul sau de fierbere -253C i solid sub punctul de topire de -259C la presiunea atmosferic. Evident aceste temperaturi sunt foarte sczute. Temperaturile sub -73C sunt cunoscute ca temperaturi criogenice, iar substanele care se afl n stare lichida la aceast temperatur se numesc lichide criogenice. Punctul de fierbere al combustibilului este un parametru critic, deoarece el definete temperatura la care trebuie rcit, pentru a rmne n stare lichid. Combustibilii lichizi ocup spaiu de stocare mai mic dect combustibilii gazoi, ei fiind mai uor de depozitat i manipulat. Din acest motiv, combustibilii care sunt lichizi n condiii atmosferice normale, sunt preferai. Combustibiliiaflai n stare gazoas, n condiii atmosferice normale, nu sunt agreai deoarece acetia trebuie depozitai sub presiune sau la temperaturi criogenice. Punctul de fierbere al unei substane pure poate crete dac presiunea este mrit pn la un anumit punct. Propanul, cu punctul de fierbere la -42C poate fi depozitat n stare lichid la o presiune moderat, dei el este n stare gazoas (in condiii normale de presiune). La temperatura de 21Cpresiunea minim de lichefiere este de 7,7 barg (1barg1,01325 bar). Din pcate, punctul de fierbere al hidrogenului poate fi mrit pn la un maxim de -240C prin aplicarea unei presiuni aproximative de 13 barg (1barg1,01325 bar), dup care, aplicnd mai mult presiune nu observm nici o schimbare. Hidrogenul folosit ca i carburant pentru autovehicule poate fi stocat n stare gazoas la presiune ridicat,sau n stare lichid la temperaturi criogenice. 2.1.2.2. Miros, culoare i gust Hidrogenul pur nu are miros, culoare i gust. Scurgerea de hidrogen printr-o sprtur este invizibil la lumina zilei. Compuiicum ar fi mercaptanul i tiofenul sunt folosii pentru a induce un miros de gaz metan,cu ajutorul lor fiind posibil prevenirea eventualelor accidente. n cazul pilelor de combustie,acetia nu se folosesc, deoarecesulful coninut otrvete pila de combustie. Hidrogenul care rezult din procesul de reformare a combustibililor fosili, este nsoit de: azot (N), dioxid de carbon (CO2), monoxid de carbon (CO) i alte gaze care de asemenea sunt lipsite de miros, gust si culoare. 12 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM 2.1.2.3. Toxicitatea Hidrogenulnu este toxic dar poate aciona ca un asfixiant simplu, srcind aerul de oxigen. 2.1.2.3.1. Asfixierea Nivelul de oxigen sub 19.5% este inactiv pentru oameni din punct de vedere biologic. Efectele lipsei de oxigen se pot manifesta prin: respiraie rapid, sntate mintal diminuat, necoordonarea micrilor, judecat slab, depresie, instabilitate emoional, oboseal. Dac asfixierea continu,pot aprea i alte simptome cum ar fi: ameeal, grea, vom, lein i lipsa contiinei. Acestea pot duce la convulsii, com i chiar moarte. La concentraiile de oxigen mai mici de 12% lipsa contiinei poate aprea fr alte simptome de avertizare. ntr-o zon deschis, scurgerile de hidrogen nu prezint pericol de asfixiere, darn schimb scurgerile mari pot provoca probleme serioase, deoarece hidrogenul difuz i ocup rapid volumul respectiv. 2.1.2.3.2. Gazele care nsoesc hidrogenulGazele care nsoesc hidrogenul n procesul de reformare a combustibililor fosili, cum ar fi: azotul (N), dioxid de carbon (CO2), monoxid de carbon (CO) i altele, pot aciona ca i asfixiani consumnd oxigenul din aer. Cel mai periculos dintre aceste gaze este monoxid de carbon (CO). Fig. 2-4 Schema molecular a Mercaptanului i Tiofenului 13 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM 2.1.2.3.3. Monoxidul de carbon(CO)Afinitatea hemoglobinei (din snge) pentru monoxid de carbon (CO) este de 200 300 ori mai mare dect afinitatea pentru oxigen. Ca rezultat, inhalarea monoxiduluide carbon (CO) reduce rapid cantitatea de oxigen din snge producndu-se asfixierea.Asfixierea poate continua mult timp i dup ce victima este mutat la aer curat. n funcie de nivelul de expunere i durat, simptomele pot include: dureri de cap, ameeal, palpitaii ale inimii, confuzie, grea, convulsii, pierderea cunotinei i moarte. Datorit expunerii repetate pe termen lung, monoxidul de carbon (CO) poate distruge sistemul nervos central. Deoarece monoxidul de carbon (CO) nu are miros, culoare i gust, el nu prezint nici o atenionare privind prezena sa, dect simptomele pe care le provoac. Limitele expunerii variaz n funcie de persoan. Valorile standard de expunere la monoxid de carbon devin periculoase cnd depesc durata medie de 25 molar ppm (31 mg/m3) timp de 8 ore sau 100 molar ppm (123 mg/m3) timp de 15 minute. O expunere de 1200 ppm (1480 mg/m3) reprezint un pericol iminent fr simptome de atenionare. Unde ppm nseamn pari pe milion. [6] 2.1.2.3.4. Monoxidul de carbon (CO) este otrvitorMonoxidul de carbon din aer este inflamabil n diferite concentraii (12.574%). Ca rezultat, chiar i o mic scurgere de monoxid de carbon (CO) are potenial de a arde sau exploda. Concentraia monoxidului de carbon scurs poate crete, n spaii nchise, rezultnd creterea riscului de explozie. Temperatura de autoaprindere a monoxidului de carbon este de 609C. Monoxidul de carbon are aproape aceeai densitate cu aerul i de aceea el nu se rspndete pe direcie vertical. El arde cu flacr albastr caracteristic.Un amestec de monoxid de carbon i aer poate s fie inflamabil i exploziv, dac intr n contact cu o suprafa ncins sau cu o scnteie. 2.1.2.4. Densitate i mrimi relative Hidrogenul are cea mai mic greutate atomic i deaceea are densitatea mic att n stare gazoas ct i n stare lichid. Densitatea unui corp reprezint raportul dintre masa i volumul su. Valorile densitii au neles doar dac se specific temperatura i presiunea, deoarece aceti 2 parametrii afecteaz structura molecular, n special la gaz. 2.1.2.4.1. Volumul specificVolumul specific este inversul densitii i exprim cantitatea de volum pe unitatea de mas. Astfel, volumul specific al hidrogenului n stare gazoas este 11.9 m3/kg, la 20C 14 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM i 1 atm iar volumul specific al hidrogenului n stare lichid este 0.014 m3/kg, la -253C la 1 atm. 2.1.2.4.2. Greutatea specificDensitatea relativ se poate exprima si prin greutatea specific. Greutatea specific este raportul dintre densitatea unei substane i densitatea substanei de referin, amndou aflndu-se n aceleai condiii de presiune i temperatur. Pentru vapori, substana de referin este aerul (=1.203 kg/m3) i prin urmare are o greutate specific 1. Densitile altor vapori se exprim cu un numr mai mare sau maidect 1, n raport cu greutatea specific a aerului. Gazele cu greutatea specific mai mare de 1 sunt mai grele dect aerul, iar cele cu greutatea specific mai mic dect 1sunt mai uoare. Hidrogenul n stare gazoas are densitatea = 0,08376 kg/m3, greutatea specific 0.0696, densitatea lui reprezentnd aproximativ 7% din densitatea aerului. Pentru lichide, substana de referin folosit este apa (1000 kg/m3). La fel ca i n cazul gazelor, lichidele cu greutatea specific mai mare de 1, sunt mai grele dect apa,iar cele cu greutatea specific mai mic dect 1 sunt mai uoare. Hidrogenul lichid are densitatea = 70,8 kg/m3 i greutatea specific 0.0708, densitatea lui reprezentnd7% din cea a apei.2.1.2.4.3. Raportul de dilatareDiferina n volum dintre hidrogenul lichid i cel gazos poate fi apreciat foarte simplu considernd un raport de dilatare. Raportul de dilatare este raportul dintre volumul pe care l ocup gazul sau lichidul cnd este stocat i volumul de gaz sau lichid ocupatn condiii normale de presiune i temperatur.Cnd hidrogenul este stocat n stare lichid, vaporizarea lui n condiii atmosferice normale se face cu o cretere n volum corespunztoare. Raportul de dilatare a hidrogenului este 1:848, ceea ce nseamn c volumul ocupat de hidrogen n stare gazoas, n condiii atmosferice normale, este de 848 de ori mai mare dect volumul ocupat n stare lichid. nTabelul nr. 1 Densitile unor substane comparative n stare gazoas i lichid Substana Densitatea Vaporilor (lat=20C; p=1atm) Densitatea lichidului (la punctul de fierbere normal i p=1atm) Hidrogen0,08376 kg/m370,8 kg/m3 Metan0,65 kg/m3422,8 kg/m3 Benzin0,275 kg/m3700 kg/m3 15 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM cazul n care hidrogenul este stocat la presiunea de 250 barg (1barg1,01325 bar) i temperatura atmosferic, raportul de dilatare este de 1:240. Creterea presiunii de stocare poate mri raportul de dilatare, dar acesta nu poate atinge n nici un caz raportul de dilatare al hidrogenului lichid. 2.1.2.4.4. Coninutul de hidrogen Chiar i n stare lichid, hidrogenul nu este foarte dens. Ironic, fiecare metru cub de ap conine 111 kg de hidrogen iar un m3 de hidrogen conine doar 71 kg de hidrogen. Apa nmagazineaz mai mult hidrogen pe unitatea de volum dect hidrogenul, deoarece legturile moleculare sunt strnse. Acest lucru este adevrat i n cazul altor lichide careconin hidrogen: 1 m3 de metanol conine 100 kg de hidrogen i 1 m3 de heptan conine 113 kg de hidrogen.Hidrocarburile sunt purttoare compacte de hidrogen care au n plus avantajul unei densiti energetice mai mari dect a hidrogenului pur. Dac hidrogenul este folosit ca i combustibil este necesar n cantiti mari,pentru a avea o anatomie acceptabil, acest lucru datorndu-se densitii energetice sczute. 2.1.2.5. ScurgeriMoleculele hidrogenului sunt mai mici dect ale altor gaze, ele pot trece prin multe materiale considerate impermeabile pentru alte gaze. Scurgerile de hidrogen se evapor foarte rapid deoarece punctul de fierbere este foarte sczut (240 C).Ele sunt periculoase pentru c reprezint un risc de incendiu atunci cnd se combin cu aerul. Cu toate acestea, molecula de mici dimensiuni a hidrogenului mrete probabilitatea ca scurgerea s se evaporeze i s difuzeze foarte rapid, rezultnd o diluare Fig. 2-5 Raportul de dilatare al Hidrogenului 16 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM rapid a scurgerii, n special n spaii deschise. Pe msur ce hidrogenul se ndeprteaz de sursa scurgerilor, dilundu-se, tendina lui de ascensiune scade. Hidrogenul foarte rece, rezultat din scurgerea hidrogenului lichid, devine volatil imediat dup evaporare. n contrast, scurgerea de benzin sau motorin se mprtie si se evapor ncet, rezultnd o rspndire pe o suprafa ntins, ceea ce reprezintun pericol de incendiu. Propanul n stare gazoas este mai dens dect aerul, deci se acumuleaz la nlimi joase i se disperseaz ncet, devenind un pericol de explozie prelungit. Vaporii grei de propan pot forma nori, care apoi sunt transportai de vnt. Metanul este un gaz mai uor dect aerul, dar nu aa de volatil ca i hidrogenul. El se disperseaz rapid, dar nu mai rapid ca ihidrogenul. Pentru scurgeri mici de hidrogen, volatilitatea i efectele difuziei n aer sunt mascate de prezena curenilor de aer, provenii de la o uoar adiere sau de la micarea ventilatorului dispus pe radiator.n general, aceti cureni servesc la dispersarea scurgerilor de hidrogen, rapid i fr nici un risc de incendiu. Dac hidrogenul este folosit drept combustibil, sistemul de alimentare trebuie proiectat cu atenie deosebit, pentru a nu exista scurgeri de hidrogen, iar n cazul c exist, acestea s fie evacuate fr nici un obstacol. Pentru a reduce riscul de incendiu, autovehiculele i unitile de service trebuie s fie dotate cu echipamente de detecie a hidrogenului. Fig. 2-6 Simularea scurgerii de combustibil 17 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM 2.1.3.Proprieti chimice 2.1.3.1. ReactivitateaReactivitatea ridicat este caracteristica ntlnit la toi combustibilii chimici. n fiecare caz, reacia chimic se produce cnd moleculele combustibilului formeaz legturi cu oxigenul (din aer) astfel nct n final, moleculele participante la reacie se gsesc ntr-o stare energetic redus, fa de moleculele care nu particip la reacie.Pe msur ce moleculele reacioneaz, schimbarea strii de energie este nsoit de o cantitate corespunztoare de energie, pe care o putem exploata dup bunul plac.Acest lucru este adevrat n ambele cazuri de ardere:1.Atunci cnd arderea are loc n motoarele termice, unde energie este eliberat exploziv sub form de cldur; 2.n reaciile electrochimice, n cazul pilelor de combustibili unde energia este eliberat sub form de potenial electric i cldur. Eliberarea energiei chimice se poate nelege mai uor dac se face analogie cu modul de curgere al apei de la amonte spre aval. Apa din amonte are energie potenial, care este eliberat atunci cnd se face tranziia spre aval. Aceast energie poate fi captat cu ajutorul turbinelor, iar apoi folosit n scopul dorit.Odat ajuns la un nivel inferior, apa nu mai poate reveni la nivelul anterior, deoarece energia potenial s-a consumat. Pentru a putea s i continue ciclul, apa trebuie s coboare n continuare sau s fie ridicat la nivelul anterior, acest lucru fcndu-se cu consum de energie. Ciclul natural al apei format din: evaporare, condensare i precipitaii, aduce apa la nivelul iniial cu ajutorul energiei solare i eoliene. Alternativ, acest lucru se poate face i cu o pomp, dar cu un consum de energie corespunztor. Reaciile chimice de acest tip, adesea necesit o cantitate mic de energie pentru a porni, iar apoi energia eliberat ajut la susinerea reaciei la fel ca i un efect de ,,domino. Astfel, atunci cnd este furnizat o mic cantitate de energie, sub form de scnteie, amestecul de hidrogen i oxigen reacioneaz energic, elibernd o cantitate substanialde cldur i ap ca produs final. Aceast reacie o ntlnim n cazul unui foc sau explozii, apa rezultat se vaporizeaz i nu observm cu ochiul liber, deoarece ea este sub form de vapori supranclzii. Aceti vapori de ap se pot observa atunci cnd condenseaz, un exemplu sunt norii care apar la decolarea unei navete spaiale. Reacia de formare a apei, prin combinarea hidrogenului cu oxigenul, este reversibil. Astfel, este posibil s convertim apa, aflat ntr-o stare energetic redus, n hidrogen i oxigen, cu o stare energetic ridicat, adugnd pe rnd o energie mai mare dect a fost eliberat prin 18 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM formarea apei (pentru a acoperi pierderile). Acest principiu st la baza metodei de obinere a hidrogenului prin electroliz. 2.1.3.1.1. Produse de reacie Toi atomii care particip la nceputul reaciei se regsesc i la sfritul ei, dei ei se afl n molecule diferite. Hidrocarburile, pe lng hidrogen i carbon, mai pot conine i alte impuriti precum sulf. Aerul nu este o surs de oxigen pur, el coninnd pe lng oxigen i azot n proporie de 78 % i alte gaze n proporie de 1 %. Substane precum :carbon, azot i sulf, formeaz n timpul arderii compui care produc smogul fotochimic, acesta avnd consecine grave asupra mediului i a sntii. Exemplu: -Oxigenul reacioneaz cu carbonulpentru a forma monoxid de carbon (CO) i dioxid de carbon (CO2). Dioxidul de carbon este necesar oamenilor i nu produce smog, dar este un gaz cu efect de ser i contribuie lanclzirea global. Pe de alt parte monoxidul de carbon este otrvitor pentru oameni, el limitnd foarte mult capacitatea sngelui de a transporta oxigen la celule. Producerea de CO2 este favorizat de lipsa aerului n timpul arderii. Orice reducere a monoxidului de carbonformat, duce la o cretere proporional de CO2. -Oxigenul reacioneaz cu azotul i formeaz oxizii de azot. Ei distrug esutul plmnilor i acioneaz ca precursori ai ozonului. Ozonul irit cile respiratorii, scade capacitatea plmnilor de a funciona normal i cauzeaz tuse i dureri ale pieptului. Formarea oxizilor de azot este favorizat de arderea la temperaturi nalte (1480 C). Dac avansul la aprindere i presiunea din cilindru, ajung la valori mai mari, duc la creterea emisiilor de NOX. Motoarele care funcioneaz cu amestecuri srace reduc emisiile de NOX. Acest lucru nu este valabil ns n cazul motoarelor Diesel, care genereaz cantiti mari de NOX, dac funcioneaz cu amestecuri srace. -Oxigenul reacioneazcusulf pentru a forma oxizi de sulf (SOX). Sulful formeaz de asemenea i funingine, care reprezint o form de particule. Particulele mari de funingine sunt vizibile i pot fi filtrate din aer, iar apoi eliminate din sistemul respirator. Acele particule care au dimensiuni de 2,5 m, nu sunt vizibile i pot ajunge n plmni, provocnd boli canceroase. -Emisia de hidrocarburi ajungen atmosfer datorit arderii incomplete, sau datorit evaporrii hidrocarburilor care sunt de 2 tipuri: 1.V.O.C. compui organici volatili 19 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM 2.R.H.C. hidrocarburi reactive. n categoria R.H.C. intr i benzina, ale crei emisii produc smogul fotochimic. Gazul natural face parte din categoria V.O.C., el nu produce smog, dar acioneaz ca precursor al ozonului, la fel ca i oxizii de azot. n funcie de tipul combustibilului i de folosirea unui catalizator, cantitatea smogului poate varia, la fel i tipul smogului. Hidrocarburile uoare, avnd un coninut ridicat de hidrogen, elibereaz o cantitate mai mic de carbon pentru a forma monoxid de carbon (CO) i bioxid de carbon (CO2). Combustibilii care nu conin sulf,elibereaz dup ardere oxizi de sulf i funingine.Hidrogenul nu este considerat combustibilul ideal, privind emisiile de smog, atunci cnd este ars n motoare cu ardere intern. El nu conine carbon sau sulf, deci nu se formeaz oxizi de carbon, oxizi de sulf sau funingine, n timpul arderii. Hidrogenul permite utilizarea amestecurilor srace astfel realiznd temperaturi mai mici ale arderii i emisii reduse de oxizi de azot (NOX). Deoarece hidrogenul nu este toxic, el nu prezint un risc direct pentru sntate. Hidrogenul este considerat un combustibil ideal, din punct de vedere al emisiilor ce provoac smogul, atunci cnd este utilizat n pile de combustie. Pilele de combustie nu produc emisii duntoare, iar oxizii de azot sunt eliminai complet datorit temperaturilor de lucru mici (80C). 2.1.3.2. Energia Toi combustibilii elibereaz o cantitate fix de energie atunci cnd reacioneaz cu oxigenul formnd ap (H2O). Aceast cantitate de energie este msurat experimental i este cuantificat cu ajutorul Puterii calorice superioare i a Puterii calorice inferioare. Diferena dintre Puterea caloric superioar i Puterea caloric inferioar este cldura de vaporizare i reprezint cantitatea de energie necesar pentru a vaporiza un combustibil lichid, dar i cantitatea de energie necesarpentru convertirea apei n aburi. Valorile puterii calorice superioare i inferioare sunt indicate n tabelul de mai jos: Tabelul nr.2Puterile Calorice ale unor combustibili comparativi Combustibil Puterea Caloric Superioar (la 25C, p=1atm) Puterea Caloric Inferioar (la 25C, p=1atm) Hidrogen141,86 kJ/g119,93 kJ/g Metan55,53 kJ/g50,02 kJ/g Propan50,36 kJ/g45,6 kJ/g 20 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM Dei termenii de putere caloric superioar i putere caloric inferioar nu se aplic la baterii, densitatea de energie a unei baterii acide cu plumb este aproximativ 0,108 kJ/g. Combustibilii n stare gazoas sunt deja vaporizai i nu necesit energie pentru a fi transportai n gaz. Apa rezultat din reaciile de combustie sau din reaciile electrochimice, din interiorul pilelor de combustie, este sub form de vapori, de aceea puterea caloric inferioar reprezint cantitatea de energie care rmne disponibil pentru producerea lucrului mecanic. Ambele puteri calorice indic cantitatea de energie (n Joule) furnizat de o cantitate dat de combustibil (n kg). Hidrogenul are cel mai mare raport energie/greutate, datorit faptului c el este cel mai uor element cunoscut. Din acestmotiv hidrogenul a fost utilizat pe o perioad ndelungat n programul spaial, unde greutatea era o problem crucial. Mai exact, cantitatea de energie eliberat n timpul reaciei hidrogenului, raportat la mas, este aproximativ de 2,5 ori mai mare dect cea eliberat prin arderea hidrocarburilor (benzin, motorin, propan, metan). De aceea, pentru o anumit sarcin, cantitatea de hidrogen necesar este egal cu 1/3 din masa hidrocarburilor, folosite n acelai scop. Coninutul ridicat de energie al hidrogenului, implic de asemenea faptul c explozia hidrogenului este de aproximativ de 2,5 ori mai mare dect a hidrocarburilor obinuite. Astfel, la aceeai cantitate de combustibil, hidrogenul este mai distructiv dect hidrocarburile. Durata exploziei este invers proporional cu puterea caloric,rezultnd faptul c hidrogenul arde mai rapid dect hidrocarburile. Continuare Benzin47,5 kJ/g44,5 kJ/g Motorin44,8 kJ/g42,5 kJ/g Metanol19,96 kJ/g18,05 kJ/g Fig. 2-7 Explozia hidrogenului 21 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM 2.1.3.2.1. Densitatea energetic n timp ce puterea caloric indic cantitatea de energie raportat la o greutate dat de combustibil, densitatea energetic (n Joule) indic cantitatea de energie raportat la un volum dat de combustibil (m3). Astfel, densitatea energetic este produsul dintre puterea caloric inferioar i densitatea combustibilului. Cu ajutorul densitii energetice se msoar ct de compact sunt aranjai atomii de hidrogen dintr-un combustibil. Rezult faptul c hidrocarburile care conin un numr mare de atomi de hidrogen/molecul, au densitatea energetic mare. n acelai timp, hidrocarburile complexe au tot mai muli atomi de carbon n molecul, deci aceti combustibili devin din ce n ce mai grei. Din punct de vedere al densitii energetice, hidrogenul este slab, deoarece are o densitate mic, dei are energia caloric cea mai mare dintre toi combustibilii. Densitile energetice ale altor combustibili, n funcie de puterea caloric inferioar, sunt prezentate n tabelul de mai jos. Densitatea energetic a bateriei acide cu electrozi de plumb este aproximativ 324.000 kJ/m3.Valorile densitii energetice pot varia n funcie de starea de agregare a combustibilului i de presiune. Exemple: Un rezervor de motorin de 500 l coninnd 400 kg de combustibil este echivalentul energetic a 8000 l de hidrogen n stare gazoas la presiunea de 250 barg. Hidrogenul are volumul de 16 ori mai mare, dei cntrete doar 150kg, rezultnd o scdere n greutate de 2,8 ori. Acelai rezervor este echivalentul a 2100 l de hidrogen lichid, creterea n volum fiind de 4,2 ori. Dac hidrogenul este stocat n hidruri metalice, fiecare kilogram de motorin este nlocuit de aproximativ 4,5 kg de hidruri metalice, pentru a menine acelai Tabelul nr. 3 Densitile Energetice alecombustibililor uzuali CombustibilDensitatea Energetic Hidrogen 10,050 kJ/m3 - gaz la p=1atm i t=15C 1,825,000 kJ/m3 - gaz la p=200 barg i t=15C 4,500,000 kJ/m3 - gaz la p=690 barg i t=15C 8,481,000 kJ/m3 - lichid Metan 32,560 kJ/m3 - gaz la p=1atm i t=15C 6,860,300 kJ/m3 - gaz la p=200 barg i t=15C 20,920,400 kJ/m3 - lichid Propan 86,670 kJ/m3 - gaz la p=1atm i t=15C 23,488,800 kJ/m3 - lichid Benzin31,150,000 kJ/m3 - lichid Motorin31,435,800kJ/m3 - lichid Metanol15,800,100 kJ/m3 - lichid 22 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM raport energetic. Astfel acelai rezervor de 500 l de combustibil i cntrind 400 kg ar fi trebuit nlocuit cu un rezervor de hidruri metalice cntrind 1725 kg. 2.1.3.3. Inflamabilitatea Pentru a declana un incendiu este nevoie de 3 lucruri: un combustibil, oxigen i o surs de aprindere. Hidrogenul se combin cu aerul n multe feluri:1.Atunci cnd oxigenul este introdus ntr-un rezervor cu hidrogen. 2.Atunci cnd apar scurgeri dintr-un rezervor de hidrogen. Sursa de aprindere poate fi sub form de scnteie, flacr sau suprafee ncinse. 2.1.3.3.1. Temperatura de aprindere Toi combustibilii ard doar n stare gazoas sau de vapor. Combustibilii asemenea hidrogenului sau metanului sunt deja n stare gazoas, n condiii atmosferice normale, n timp ce ali combustibili ca i benzina sau motorina, fiind n stare lichida, trebuie convertii n vapori, nainte de ardere. Caracteristica care descrie ct de uor se transform aceti combustibili n vapori se numete temperatura de aprindere.Temperatura de aprindere este definit ca temperatura la care combustibilul produce destui vapori pentru a forma un amestec inflamabil, mpreun cu aerul. Dac temperatura combustibilului este sub temperatura de aprindere, combustibilul nu poate produce destui vapori pentru ardere, deoarece evaporarea se produce prea ncet. Oricnd un combustibil este deasupra temperaturii de aprindere, vaporii sunt prezeni. Temperatura de aprindere nu reprezint temperatura la care combustibilul se autoaprinde, acea temperatur este temperatura de autoaprindere. Temperatura de fierbere este ntotdeauna mai mare dect temperatura de aprindere. Pentru combustibilii care sunt n stare gazoas, n condiii atmosferice normale, temperatura de aprindere este cu mult sub temperatura ambiental i nu este relevant, ntruct combustibilul este evaporat complet. Pentru combustibilii care sunt n stare lichid, n condiii atmosferice normale, cum ar fi benzina i metanolul,temperatura de aprindere acioneaz la fel ca temperatura limit inferioar de aprindere. Tabelul nr.4Temperaturile de aprindere ale combustibililor uzuali CombustibilTemperatura Hidrogen-253C Metan-188C Propan-104C Benzin-43C Metanol11C 23 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM 2.1.3.3.2. Domeniul de inflamabilitate Domeniul de inflamabilitate al unui gaz este definit n funcie de limita inferioar (L.F.L.) i superioar (U.F.L.) de inflamabilitate. Limita inferioar de inflamabilitate a unui gaz reprezint concentraia minim de combustibil gazos care poate s susin o auto-propagare a flcrii, atunci cnd este amestecat cu aerul i aprins. Sub limita inferioar de inflamabilitate, nu este destul combustibil pentru a susine arderea, amestecul combustibil/aer este prea srac. Limita superioar de inflamabilitate reprezint cea mai mare concentraie a unui combustibil gazos care suport auto-propagarea flcrii, atunci cnd este amestecat cu aerul i aprins. Deasupra limitei superioare de inflamabilitate, nu exist destul oxigen pentru a susine arderea, amestecul combustibil/aer este bogat. n interiorul domeniului de inflamabilitate, combustibilii aflai n stare gazoas mpreun cu aerul, se afl n proporiile corecte pentru a se aprinde i arde. Amestecul stoichiometric apare atunci cnd moleculele de oxigen i hidrogen se afl ntr-un raport exact, att ct este nevoie pentru o ardere complect. Dac hidrogenul se afl ncantitate mai mare dect oxigenul, amestecul este bogat i rezult faptul c o mare parte din cantitatea de combustibil nu a ars, dei oxigenul s-a consumat. n cazul n care hidrogenul este n proporie mai mic dect oxigenul, amestecul este srac, rezultnd o cantitate neconsumat de oxigen. n practic, motorul cu ardere intern i pilele de combustie funcioneaz cu amestecuri srace, deoarece aceast situaieimplic arderea complet a combustibilului. O consecin a limitei superioare de inflamabilitate este faptul c : hidrogenul stocat (lichid sau gazos) nu este inflamabil, datorit lipsei oxigenului din recipientul de stocare. Hidrogenul devine inflamabil doar n zonele periferice ale unei scurgeri, unde acesta se combin cu oxigenul n proporiile necesare arderii. Limita inferioar de explozie (L.E.L.) i limita superioar de explozie sunt 2 concepte asociate. Aceti termeni sunt adesea utilizai n locul termenilor L.F.L. i U.F.L., dei nu sunt la fel. Limita inferioar de explozie reprezint cea mai sczut concentraie de gaz care poate exploda, atunci cnd este amestecat cu aerul, cuprins ntr-un spaiu apoi aprins. Similar, limita superioar de explozie reprezint cea mai bogat concentraie de gaz care poate exploda, atunci cnd este amestecat cu aerul, cuprins ntr-un spaiu apoi aprins. Explozia este diferit de foc, n cazul exploziei, arderea trebuie s se desfoare ntr-un spaiu nchis, permind astfel creterea presiunii i a temperaturii la cote suficient de ridicate, pentru a distruge barierele ce o ngrdesc. Din acest motiv, este foarte periculos s eliberm hidrogenul n spaii nchise. n aer, hidrogenul este inflamabil ntr-o gam larg de concentraii (475%) i explozibil n concentraii de la 1559%, n condiii 24 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM atmosferice normale. Limitele de inflamabilitate cresc proporional cu temperatura, aa cum se vede n figura de mai jos. Ca urmare, chiar i scurgerile mici de hidrogen pot exploda sau pot lua foc. Hidrogenul scurs i poate mri concentraia n spaiile nchise, astfel crescnd riscul de incendiu sau explozie. Limitele de inflamabilitate ale combustibililor uzuali sunt prezentate n figura 13 . Fig. 2-8 Domeniul de Inflamabilitate Fig.2-9 Limitele de inflamabilitate alecombustibililor uzuali la temperatura atmosferic 25 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM 2.1.3.3.3. Temperatura de autoaprindereTemperatura de autoaprindere, este temperatura minim necesar pentru a iniia i auto-susine arderea unui amestec combustibil n absena sursei de aprindere. Cu alte cuvinte, combustibilul este nclzit pn i-a foc.Fiecare combustibil are o temperatur de autoaprindere unic. Pentru hidrogen, temperatura de autoaprindere este relativ nalt (585C). acest lucru face dificil aprinderea amestecului format din hidrogen i aer, fr a folosi o surs suplimentar de aprindere. Temperaturile de autoaprindere ale combustibililor uzuali sunt indicate n tabelul de mai jos. 2.1.3.3.4. Cifra octanic Cifra octanic descrie proprietile antidetonante ale unui combustibil folosit n motoarele cu ardere intern. Detonaia reprezint o explozie secundar care apare dup aprinderea combustibilului, datorit acumulrilor de cldur ntr-o alt parte a camerei de ardere. Atunci cnd temperatura local depete temperatura de autoaprindere, apare detonaia.Performanele octanului sunt folosite ca un standard de msurare a rezistenei la detonaie, octanul avnd atribuit cifra octanic 100. Combustibilii cu cifra octanic mai mare de 100 au rezisten la autoaprinderemai mare dect octanul. Hidrogenul are cifra octanic echivalent foarte ridicat, el avnd o rezisten la detonaie mare chiar i atunci cnd se folosete n amestecuri srace. Cifra octanic nu are nici o relevan atunci cnd este vorba de pilele de combustie.n tabelul de mai jos sunt prezentate cifrele octanice ale combustibililor uzuali. Tabelul nr. 5 Temperaturile de autoaprindere ale combustibililor uzuali CombustibilTemperatura Hidrogen585C Metan540C Propan490C Metanol385C Benzin240-480C Tabelul nr. 6Cifrele octanice ale combustibililor uzuali CombustibilCifra octanic Hidrogen130+(amestecuri srace) Metan125 Propan105 Octan100 Benzin87 26 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM 2.1.3.3.5. Energia necesar aprinderii Energia necesar aprinderii, reprezint cantitatea de energie extern ce trebuie consumat pentru a aprinde amestecul carburant. Energia generat de sursa extern trebuie s fie mai mare dect temperatura de autoaprindere i s dureze suficient de mult, ct s nclzeasc vaporii de combustibili pn la temperatura de aprindere. Sursele uzuale de aprindere sunt flacra i scnteia. Dei hidrogenul are o temperatur de autoaprindere mai ridicat dect metanul, propanul i benzina, energia necesar aprinderii este 0,02 mJ, avnd unordin de magnitudine mic, prin urmare este mult mai uor de aprins. Chiar i o scnteie invizibil sau o descrcare static provenit de la un corp omenesc pot avea destul energie pentru a produce aprinderea hidrogenului. Cu toate acestea este important s nelegem faptul c energia necesar aprinderii pentru toi aceti combustibili este foarte sczut,iar condiiile de aprindere valabile pentru un combustibil sunt aceleai i pentru ceilali combustibili. O alt proprietate a hidrogenului este aceea c are o conductivitate electric sczut, datorit agitaiei i curgerii moleculelor de hidrogen lichid sau gazos, sunt generate sarcini electrice care apoi formeaz scntei. Din aceast cauz tot echipamentul de transport al hidrogenului trebuie racordat la mpmntare. 2.1.3.3.6. Viteza de ardere Viteza de ardere reprezint viteza cu care flacra trece printr-un amestec combustibil i este diferit de viteza flcrii. Ea indic severitatea exploziei, ntruct vitezele mai mari de ardere au tendina de a favoriza transformarea deflagraiilor n detonaii, n conducte sau tunele lungi. Viteza flcrii este suma vitezei de ardere i vitezelor de deplasare a amestecului combustibil nears. Aceasta variaz proporional cu concentraia gazului i devine 0 atunci cnd atinge limitele domeniului de inflamabilitate. Sub limita inferioar de inflamabilitate i peste limita superioar de inflamabilitate viteza de ardere este 0. Viteza de ardere a hidrogenului este de 2,653,25 m/s, aproape cu un ordin de magnitudine mai mare dect cea a metanului sau a benzinei (n condiii stoichiometrice). Astfel, hidrogenul se aprinde i arde foarte rapid. 2.1.3.3.7. Distana de stingere Distana de stingere descrie proprietile de stingere a flcrii a unui combustibil folosit n motoarele cu ardere intern. i anume, distana de stingere se refer la distana dintre perete cilindrului i locul unde se stinge flacra, datorit pierderilor de cldur. Distana de stingere nu are nici o relevan atunci cndeste vorba de pilele de combustie. Distana de stingere a hidrogenului este de 0,064 cm i este de aproximativ 3 ori mai mic 27 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM dect a celorlali combustibili, cum ar fi benzina. Astfel, flcrile hidrogenului se propag mai aproape de perete cilindrului, nainte s se sting, fcnd dificil stingerea lor, comparativ cu flcrile benzinei. Distana de stingere mic poate crete tendina de apariie a rateurilor, deoarece flacra amestecului combustibil poate trece prin orificiul parial nchis al supapei de admisie i poate s aprind amestecul carburant din galeria de admisie.2.1.3.3.8. Caracteristicile flcrii Flcrile hidrogenului au o culoare albastru palid i sunt aproape invizibile la lumina zilei, n absena fumului. Vizibilitatea este mbuntit doar n prezena umezelii sau impuritilor (asemenea sulfului) din aer. Flcrile hidrogenului sunt uor vizibile n ntuneric sau la o lumin difuz. Focul rezultat din arderea hidrogenului poate fi observat indirect cu ajutorul valurilor de cldur sau radiaiei termice, n special n cazul incendiilor mari. n multe cazuri, flcrile provenite de la un foc produs din arderea hidrogenului, pot aprinde materiale din mprejurimi, iar fumul i funinginea rezultate n timpul arderii pot atrage atenia asupra pericolului iminent. Focurile generate prin arderea hidrogenului pot exista doar n regiuni unde scurgerile de hidrogen se combin cu aerul n concentraii suficiente. n cazul scurgerilor turbulente, aerul ajunge n centrul jetului la un diametru de 5 ori mai mic dect cel al gurii de scurgere, hidrogenul ajungnd la aceeai concentraie pe care o are n aer, la o distan de 500 de diametre fa de gaura de scurgere. Aceast diluie rapid implic faptul c scurgerea turbulent se produce n spaiu deschis, zona de inflamabilitate situndu-se relativ aproape de sursa scurgerilor. De aceea, cnd jetul se aprinde, lungimea flcrii este mai mic de 500 de diametre fa de gaur (de exemplu: pentru = 1 mm, lungimea flcrii va fi mai mic de 0,5 m). n multe privine, focurile rezultate din arderea hidrogenului, sunt mai sigure dect cele produse prin arderea benzinei. Fig.2-10 Flacra invizibil a hidrogenului 28 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM Hidrogenul n stare gazoas se ridic rapid n atmosfer datorit volatilitii i a difuziei ridicate. n consecin incendiile provocate de arderea hidrogenului sunt verticale i localizate foarte precis. Cnd rezervorul cu hidrogen al unui automobil se fisureaz i se aprinde, focul arde departe de main, interiorul ei fiind protejat. Dac n rezervor se afl benzin, iar rezervorul se fisureaz, scurgerile rezultate se acumuleaz sub autovehicul. Benzina se rspndete pe direcie lateral, formnd un nor lent. Acest lucru face ca incendiile provocate de scurgerea benzinei s fie ntinse pe suprafee considerabile. Atunci cnd rezervorul cu benzin se fisureaz i ia foc, maina este cuprins de flcri n cteva secunde, iar temperatura ntregului autovehicul crete dramatic. n unele cazuri, cldura ridicat poate forma compui inflamabili gazoi, provenii din arderea tapieriei, care la rndul lor pot provoca explozii secundare. Hidrogenul arde mai puternic dect benzina dar pentru un timp mai scurt. Acumulrile de hidrogen lichid ard foarte rapid cu o vitez de 36 cm/min, iar metanul lichid 1,2 cm/min. n cazul benzinei aceast vitez este de 0,9 cm/min. diferena dintre arderea hidrogenului i cea a benzinei este aceea c produii de ardere ai hidrogenului nu sunt toxici. 2.1.3.3.9. Fragilitatea datorat hidrogenului Expunerea constant a materialelor la hidrogen provoac un fenomen cunoscut sub numele de fragilitate. Fragilitatea datorat expunerii la hidrogen poate duce la apariia defectelor de structur i a scurgerilor, indiferent dac materialul este metalic sau nemetalic. Mecanismul care produce efectul de fragilitate nu este nc bine definit.Factorii care influeneaz gradul de fragilitate produs datorit expunerii la hidrogen sunt : Fig.2-11 Flacra de hidrogen produs de o scurgere din rezervor 29 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM concentraia hidrogenului, presiunea hidrogenului, temperatura, puritatea hidrogenului, nivelul tensiunilor, compoziia metalului, tratamentul termic. Umezeala coninut de hidrogenul n stare gazoas poate duce la creterea fragilitii materialului, prin accelerarea apariiei fisurilor datorate oboselii materialului.[7] 2.2.Producerea hidrogenului Pentru c hidrogenul nu se gsete n stare natural la nivelul Terrei, el trebuie produs (sau extras) din substanele care l conin n cantiti apreciabile: gazele naturale i alte hidrocarburi, biomasa i apa.Datorit diversitii substanelor care conin hidrogen n cantiti mari, rezult c acesta poate fi produs oriunde n lume, utilizndu-se procedee adecvate de separare a sa. Principalele procedee de separare a hidrogenului, cunoscute i utilizate n prezent, sunt: termice, chimice i biologice. Procedeele termice de baz pentru producerea hidrogenului sunt: reformarea catalitic cu vapori de ap a gazelor naturale (metan), descompunerea termochimic a apei, gazeificarea crbunilor i a biomasei i piroliza Fig.2-12 Fisurdatorat expunerii la hidrogen Fig.2-13 Substane ce conin hidrogen 30 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM biomasei, utiliznd aburi la temperatur medie. Procedeele chimice sunt de dou feluri: electrochimice i fotochimice, ambele avnd ca materie prim apa. n cazul procedeelor electrochimice, procesul de obinere a hidrogenului este electroliza apei, utiliznd ca surs primar de energie electric una dintre energiile regenerabile (eolian, solar, hidraulic, geotermal) sau energia nuclear, fie utiliznd energia electric produs n centralele electrice care ard combustibili fosili. n procesul fotochimic apa este descompus direct, cu ajutorul luminii solare. Procedeele biologice, nc n faz de cercetare, au la baz procese foto-biologice (ap cu specii de alge care produc hidrogen cu o eficien de 10 % la expunere la lumin solar), procese de fermentaie anacrob a biomasei i procesarea biomasei cu microorganisme fermentative la temperatur ridicat.Cercetarea n domeniul producerii hidrogenului nu se oprete, ns, aici. De curnd, un grup de cercettori de la Virginia Tech., Laboratorul Naional Oak Ridge i Universitatea din Georgia, SUA a reuit producerea hidrogenului din polizaharide (amidon) obinute din plante, utiliznd 13 enzime i ap. Din 26 kg de amidon se obin 4 kg de hidrogen, suficient pentru a asigura o independen de drum de 450 km unui automobil echipat cu motor cu hidrogen. 2.2.1.Obinerea hidrogenului prin metode termice 2.2.1.1. Reformarea catalitic cu vapori de ap Prin acest procedeu, din hidrocarburi (gazele naturale cum este metanul, chiar i hidrocarburi mai complexe cum ar fi benzina) utilizate i n alte scopuri, va fi extras n dou trepte hidrogen. Fiind un procedeu deja bine pus la punct, exist capaciti de producie de ordinul de mrime de 100.000 m/h. n prima faz, prin adugare de aburi la o temperatur de circa 450-500C i o presiune de 25-30 bar, hidrocarburile mai complexe se descompun n metan, hidrogen, monoxid de carbon precum i bioxid de carbon pentru a evita colmatarea catalizatorului din ansamblul de reformare. n faza a doua, n ansamblul de reformare, metanul va intra n reacie cu apa ntr-un catalizator de nichel la o temperatur de von 800 - 900C i o presiune de 25 - 30bar, rezultnd gazul de sintez.Deoarece aceti catalizatori sunt deosebit de sensibili la compui pe baz de sulf i halogeni (mai ales clor), n practic, de obicei, se cupleaz naintea reformatorului o unitate de rafinare . 31 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM Ecuaia general: CnHm+nH2O => (n+m/2) H2 + nCO Ecuaie posibil:CH4+H2O => CO + 3H2 n urma acestei reacii incomplete, puternic endoterme,rezult gazul de sintez cu o cantitate mare de monoxid de carbon. n consecin,este nevoie de o nou faz n urma creia printr-o reacie exoterm dintre moleculele de oxid de carbon i ap rezult bioxid de carbon i hidrogen. Reacia are loc n prezena unui catalizator de oxid de fier. Pentru a obine hidrogen ct mai pur posibil este nevoie de ndeprtarea resturilor de CO, CO2 i CH4 reducnd concentraia acestora; de exemplu,sub 10 ppm n cazul oxidului de carbon. Eliminarea resturilor de monoxid de carbon (CO) se produce printr-un proces : chimic cu ajutorul aa numitei proceduri PROX (oxidare preferenial) n practic adesea utilizndu-se un reactor cu filtru molecular din pmnturi rare sau crbune activ la presiune i temperatur bine definite, sau metanizare selectiv Fig.2-14Instalaie de reformare agazului metan 32 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM fizic cu absorbie prin schimbare de presiune sau utilizarea unei membrane semipermeabile (cu permeabilitate doar pentru hidrogen) din aliaj PdAg Industrial coninutul de CO2 se poate reduce prin splare cu metan lichid. Fig. 2-15 Procesul de reformare catalitic cu abur Fig.2-16Procesul de reformare prin oxidare parial 33 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM 2.2.1.2. Oxidare parial Aceast tehnologie este deja bine pus la punct. Aici, hidrogenul din gazul metan sau pcur, printr-un proces exoterm, va fi nlocuit cu oxigen. Ecuaia general:2 22 2HmnCO OnH Cm n+ +Ecuaie posibil (pcur):2 2 24 1212 12 6 H CO O H C + +Ecuaie posibil (crbune): 2 2 12 246 24 12 H CO O H C + + Din acest amestec foarte complex de compui, prin exemplele luate pentru pcur i crbune, am prezentat cte un element tipic. De cele mai multe ori se adaug i ap pentru a stpni att temperaturile foarte nalte ct i echilibrul Boudouard dintre CO2 i CO, astfel nct, la urma urmei se poate vorbi de un proces de reformare autoterm cu adaos mic de ap. n ri cu rezerve mari de crbune cum sunt China sau Africa de sud, pentru acest procedeu, se poate utiliza ca materie prim crbune mcinat i amestecat cu ap pentru a obine o suspensie. 2.2.1.3. Reformarea autoterm Acest mod de reformare este o combinaie dintre reformarea catalitic cu vapori de ap i oxidare parial,n scopul mririi randamentului. Astfel,ca materie prim, se poate utiliza metanol sau orice fel de hidrocarbur,respectiv amestec de hidrocarburi (gaz metan, benzin, motorin, etc.). n acest caz cele dou procedeese combin n aa fel, nct avantajele oxidrii pariale (degajarea de cldur) completeaz avantajele reformriicatalitice cu vapori de ap (un grad mai mare de extragere de hidrogen). Reformarea autoterm are loc n condiiile unei precise dozri a alimentrii cu aer i abur. Apar pretenii mai mari privind catalizatorii utilizai, deoarece trebuie s corespund att cerinelor reaciei dintre oxidul de carbon i ap de la reformarea catalitic cu vapori,ct i procesului de oxidare parial.[7] 34 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM 2.2.1.4. Gazeificarea biomasei Un alt procedeu termochimic este gazeificarea. Gazeificareabiomasei este un proces ce se desfoar la temperatur ridicat,n care un combustibil solid reacioneaz cu abur,CO2 , oxigen sau aer. Gazeificarea biomasei reprezint o cale eficient de prelucrare a biomasei n energie, deoarece n acest proces sunt transformai toi componenii biomasei, inclusiv lignina, care altfel este foarte rezistent la procesul de degradare biologic. Interesul pentru gazeificarea biomasei a crescut dup anii 1970. La ora actual sunt n funciune att instalaii mari care produc cldur i energie electric (puteri de aprox. 10 MW, n Finlanda),ct i instalaii mici ce asigur cldura i energia electric pentru cteva locuine. Randamentul obinut este comparabil mai mare dect de exemplu cel de la gazeificarea crbunelui. Gazeificareaindustrial a biomasei este actualmente cel mai ieftin procedeu de fabricare a hidrogenului. Cele mai importante reacii sunt : C + 1/2 O2 = CO C + O2 = CO2 Fig.2-17Procesul de reformare autoterm 35 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM C + H2O(vap) = CO + H2 C + H2O(vap) = CO2 + 2 H2 C + CO2 = 2 CO CO + 3 H2 = CH4 + H2O(vap) C + 2 H2 = CH4 2.2.1.5. Piroliza biomasei Piroliza substanelor organice este una dintre cele mai importante ci de obinere a arenelor avnd drept materie prim biomasa n special crbunele. Distilarea uscat a crbunilor cuprinde procese complexe care au loc la temperaturi de 500-1200 C, n vid, obinndu-se urmtoarele fraciuni: fraciunea gazoas, format din hidrogen, oxid i bioxid de carbon, amoniac, hidrogen sulfurat, dar i unele hidrocarburi gazoase [5] fraciunea lichid: ape amoniacale i gudroane, cu un coninut diferit de hidrocarburi, dar i combinaii organice cu oxigen i azot.fraciunea solid, format numai din cocs. 2.2.2.Metode chimice de obinere a hidrogenului 2.2.2.1. Electroliza apei Aceast form a obinerii hidrogenului din ap a fost pentru prima dat evideniat de chimistul german Johann Wilhelm Ritter n jurul anului 1800, i se pare c pe termen lung este singurul procedeu raional, deoarece n cursul procesului nu se emite CO2. Ca exemplu se poate aminti electroliza n mediu bazic, care datorit preurilor mici este utilizat adeseori n combinaie cu centrale hidroelectrice n Norvegia i Islanda. Reacia are loc ntr-un recipient umplut cu electrolit bun conductor de curent (sare, acid, baz), n care se gsesc doi electrozi printre care circul un curent continuu. Procesul poate fi descris prin dou reacii pariale.La catod: + + OH H e O H 2 2 22 2 La anod: ++ + e H O O H 4 4 22 2 36 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM n principiu, la anod se elibereaz electroni care mai apoi sunt captai la catod. Din aceste dou procese pariale rezult,de fapt, reacia de separare a atomilor de oxigen i hidrogen din ap.Reacia de separare: 2 2 22 2 O H O H + Procesul este deosebit de avantajos,pentru c pe lng hidrogen i oxigenulrezultat se poate utiliza eficient n alte procese tehnologice, nefiind lsat liber n atmosfer..Exist aparate de electroliz industrial cu presiune nalt, cu o capacitate de producie de 60 Nm/h la o presiune de 12 bar.

2.2.2.2. Procedeul fotochimic Ideea de baz este utilizarea direct a radiaiei solare,prin absorbia energiei fotonilor de ctre componentele ce intr n reacie. n acest caz, sunt necesare materiale semiconductoare al cror nivel energetic este suficient de mare pentru ca prin absorbia cuantelor de lumin, s poat capta electroni din moleculele de ap,ceea ce va conduce n cele din urm,la disocierea acestora. Prin utilizarea de fotocatalizatori se pot nlesni procesele de transformare. Problema crucial const n faptul c materialele fotoactive trebuie s fie n acelai timp foarte active i totodat n contact cu apa stabile, n timp. n viitor pare posibil combinarea proceselor termochimice cu cele fotochimice. Fig.2-18Schema instalaie de electroliz a apei 37 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM 2.2.3.Metode biologice de obinere a hidrogenului Fermentarea anaerob a biomasei Fermentarea anaerob este un proces strict bacteriologic. Procesul are loc n absena aerului i poate fi mprit n patru etape. n prima faz, bacteriile anaerobe folosesc enzime pentru a descompune substanele organice cu un numr mare de molecule, cum ar fi proteinele, carbohidraii, celuloza i grsimile,n compui cu puine molecule. n timpul celei de-a doua faze acidul ce formeaz bacteria continu procesul de descompunere n acizi organici, dioxid de carbon, hidrogen sulfurat i amoniac. Bacteriile acide formeaz acetat, dioxid de carbon i hidrogen,n timpul celei de-a treia faze, aceto-geneza. A patra faza, metano-geneza, implic bacteria de creare a metanului, producnd metan, dioxid de carbon i ap alcalin. Producerea hidrogenului cu ajutorul algelor Spre sfritul anilor 1990 s-a descoperit c dac algele sunt lipsite de sulf,ele vor ncepe s produc n loc de oxigen, ca n fotosinteza normal, hidrogen. Producerea hidrogenului prin metode biologice are loc n bioreactor.Una din algele folosite n procesul de obinere a hidrogenului este Chlamydomonas reinhardtii. Cercettorii din cadrul Laboratoarelor Argonne,au reuit , prin stimularea chimic a unei enzime, s determine mai multe specii de plante unicelulare s produc de zece ori mai mult hidrogen dect in mod normal. [5] Fig. 2-19 a) Alga Chlamydomonas reinhardtii;b) Ferm alge 38 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM 2.3.Automobile alimentate cu hidrogen Cu mici modificri, motoarele cu ardere intern pot fi adaptate pentru a utiliza hidrogen lichid drept combustibil. BMW H2R ("Hydrogen Record Car") cu o putere de 210kW (232CP) a atins 300km/h. Hydrogen 7,al aceleiai firme este construit cu un motor de 260 kW, 229 km/h i 0 - 100km/h in 9.5 sec, cu posibilitate dubl de alimentare; benzin i hidrogen. Acest lucru s-a realizat prin montarea unui rezervor de hidrogen lichid ceea ce a redus capacitatea compartimentului de bagaje de la 500 la 250 l. Hidrogenul nmagazinat permite o autonomie de 200km, dar la neutilizare n decurs de 9 zile se reduce la o cantitate suficient pentru parcurgerea a 20 km. Mazda a echipat modelul su RX-8 cu motor Wankel (piston rotativ) ce funcioneaz cu combustibil hibrid benzin sau hidrogen dezvoltnd 184 kW (255 hp).[4] Fig. 2-20 BMW H2R Fig.2-21Mazda RX-8 39 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM 3.ARDEREA HIDROGENULUI N MOTORUL CU ARDERE INTERN Hidrogenul. Soluia energetic a unui MAS, conceput sau adaptat la funcionarea cu hidrogen, trebuie elaborat pornind de la cteva caracteristici importante ale acestui combustibil: a) viteza ridicat de propagare a flcrii, care conduce,n mod normal,la viteze exagerate de cretere a presiunii i presiuni maxime foarte ridicate; b) tendina aprinderilor necontrolate n cilindru i de propagare a flcrii n sistemul de admisie (ntoarcerea flcrii); c) cldura de reacie redus pe unitatea de volum de amestec Fig. 2-22 Mazda 5 Hydrogen RE Hybrid Fig.3-1 Arderea hidrogenului n motorul cu ardere intern 40 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM stoichiometric, reprezentnd circa 80% din valoarea corespunztoare amestecului benzin-aer , de unde tendina de scdere a puterii. Analiza proprietilor combustibililor a artat c viteza flcrii laminare wfl pentru amestecul stoichiometric H2-aer difer cu un ordin de mrime comparativ cu amestecurile hidrocarburi-aer. n condiii tipice pentru momentul producerii scnteii la MAS,presiune de 1,5 MPa i temperatur de 600K, la amestecul stoichiometric H2-aer,corespunde wfl=8m/s, n timp ce la amestecul stoichiometric C3H8-aer, wfl=1ms. Viteza flcrii turbulente wft n MAS se mrete n general mult fa de wfl. Pentru amestecul stoichiometric C3H8-aer,wft=10wfl; pentru H2-aer, wft , (dei mai mare), rmne de acelai ordin cu wfl. [1] Cercetrile efectuate n MAS experimentale au pus n eviden o evoluie a procesului propagrii flcrii n amestecurile H2-aer diferit de ali combustibili .n fig. 3-2 se prezint un grup de imagini fotografice obinute prin tehnica schlieren ,tipice pentru perioada iniial a arderii. Imaginile obinute pentru H2 se compar cu cele obinute pentru C3H8, la volume egale cuprinse de flacr*). Evoluia flcrii pentru cele 2 amestecuri difer esenial. Flacra pentru H2-aer se dezvolt cu mult mai repede; conturul flcrii este mai puin neregulat i se abate mai puin de la forma sferic. De asemenea, structura Fig. 3-2 Procesul de ardere 41 UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRAOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC PROIECT DE DIPLOM liniilor ntunecate din flacra turbulent interpretate drept proiecia pe pelicul a zonelor subiri n care se desfoar efectiv reacia apare diferit ,fiind mai distanate ,n cazul H2. *) -Fiecare imagine corespunde unui ciclu diferit; imaginile au fost selecionate astfel ca s corespund dimensiunilor medii ale flcrii pentru momentul respectiv al ciclului (RA). n fig.3-3se ilustreaz existena neuniformitilorcare apar n dezvoltarea flcrii , de la un ciclu la altul, pentru cei doi combustibili. n cazul H2 (imaginile obinute la 40RA dup declanarea scnteii), dimensiunile i forma conturului exterior al flcrii se reproduc strns de la un ciclu la altul , n timp ce pentru C3H8 , aproximativ n acelai stadiu de dezvoltare (la 250RA dup declanarea scnteii ), diferenele ntre imagini sunt mari, determinnd o neuniformitate accentuat a diagramelor presiunii din cilindru. n fine, grosimea flcrii turbulente*) la amestecul H2-aer , reprezint circa o treime din cea pentru C3H8-aer. *) - Definit convenional ntre suprafaa , aproximativ sferic, care reprezint local frontul avansat al zonei de reacie (n faa creia exist numai amestec proaspt)i suprafaa echivalent din spatele zonei de reacie (n spatele creia exist numai gaze arse). n concluzie , arderea mult mai rapid a amestecului H2-aer arat c arderea cu viteze inacceptabile de cretere a presiunii tinde s se instaleze la reducerea treptat a excesului de aer i apropierea de proporia stoichiometric (fig.3-4), pn cnd se ajunge la manifestri similare motorului funcionnd cu benzin ,n regim de detonaie. Aceast constatare , precum i n limitele largi de inflamabilitate specifice hidrogenului (la limita amestecurilor srace , l=3,35,5, pentru 0,1