Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα ΑΜΘ Σχολι Τεχνολογικών Εφαρμογών Τμιμα Μθχανολογίασ ΠΣΤΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΙΑ. Κίνηση Οχημάτων με Τδρογόνο

Transcript

1 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα ΑΜΘ Σχολι Τεχνολογικών Εφαρμογών Τμιμα Μθχανολογίασ ΠΣΤΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΙΑ Κίνηση Οχημάτων με Τδρογόνο Σπουδαςτισ Αλζξανδροσ Μαραντηίδθσ Κακθγθτισ: Δρ. Ευςτράτιοσ Νταντισ ΚΑΒΑΛΑ 2014 ΚΑΒΑΛΑ 2013

2 Σερλνινγηθφ Εθπαηδεπηηθφ Ίδξπκα Καβάιαο ρνιή Σερλνινγηθψλ Εθαξκνγψλ Σκήκα Μεραλνινγίαο Σνκέαο Ελέξγεηαο Πηπρηαθή εξγαζία: ΚΗΝΖΖ ΟΥΖΜΑΣΧΝ ΜΔ ΤΓΡΟΓΟΝΟ Αιέμαλδξνο Μαξαληδίδεο ΑΜ: 4597

3 Δπηβιέπσλ Καζεγεηήο: Γξ. Δπζηξάηηνο Νηαληήο ΠΕΡΘΛΗΦΗ Καβάια, Ννέκβξηνο 2013 ην Κεθάιαην 2ν ηεο πηπρηαθήο απηήο εξγαζίαο επηρεηξείηαη µία εθηελήο γλσξηµία µε ην ρεµηθφ ζηνηρείν πδξνγφλν, γλσξίδνληαη νη θπζηθέο θαη νη ρεµηθέο ηνπ ηδηφηεηεο θαη παξνπζηάδνληαη νη µέζνδνη παξαζθεπήο ηνπ, νη ηξφπνη απνζήθεπζήο ηνπ θαη νη ρξήζεηο ηνπ. Σν 3ν Κεθάιαην αλαθέξεηαη ζηε µεραλή εζσηεξηθήο θαχζεο, ζηε ζεµαληηθφηεξε ίζσο µεραλνινγηθή εθαξµνγή ηνπ 20νπ αηψλα πνπ έθεξε ηελ επαλάζηαζε ζηηο µεηαθνξέο θαη έζεζε ηα ζεµέιηα γηα ηελ αεηθφξν νηθνλνµηθή αλάπηπμε ησλ ζχγρξνλσλ θνηλσληψλ. ην θεθάιαην απηφ πεξηγξάθνληαη νη ζεµαληηθφηεξνη ηχπνη θηλεηήξσλ εζσηεξηθήο θαχζεο, πνπ πήξαλ ηελ νλνµαζία ηνπο απφ ηνπο αλζξψπνπο πνπ ηνπο επηλφεζαλ (Otto, Diesel, Wankel), θαη νη νπνίνη θαζνιηθά ρξεζηµνπνηνχληαη ζήµεξα ζηα αηνµηθά θαη µαδηθά µέζα µεηαθίλεζεο. ην 4ν Κεθάιαην δηεμνδηθά µειεηψληαη ηα ραξαθηεξηζηηθά ηνπ πδξνγφλνπ σο θαχζηµν, αλαιχνληαη νη ηδηφηεηεο θαχζεο ηνπ θαη δηεξεπλψληαη ηα πξνβιήµαηα πνπ πξνθχπηνπλ απφ ηε ρξήζε ηνπ ζηηο µεραλέο εζσηεξηθήο θαχζεο. Επίζεο, ζηνηρεηνζεηείηαη ε επηινγή ηνπ σο ην πην πηζαλφ ελαιιαθηηθφ θαχζηµν ηνπ θνληηλνχ µέιινληνο. Σέινο, ζην 5ν Κεθάιαην παξνπζηάδνληαη ιεπηνµεξψο ηα πξσηφηππα νρήµαηα µεγάισλ θαηαζθεπαζηψλ, πνπ παίξλνπλ θίλεζε απφ πδξνγφλν.

4 ΔΤΥΑΡΗΣΗΔ Αξρηθά ζα ήζεια λα εθθξάζσ ηελ επγλσκνζχλε κνπ ζηνλ επηβιέπνληα θαζεγεηή κνπ, θ. Νηαληή Επζηξάηην γηα ηελ αλάζεζε απηήο ηεο πηπρηαθήο κε ην πνιχ ελδηαθέξνλ ζέκα θαη ηελ ζπλερή βνήζεηα θαη ππνζηήξημε πνπ κνπ παξείρε θαη ζηε ζπλέρεηα λα εθθξάζσ ηελ αγάπε κνπ γηα ηνπο γνλείο κνπ γηα ηελ δηαξθή ζηήξημε πνπ κνπ πξφζθεξαλ φια απηά ηα δεκηνπξγηθά ρξφληα ησλ ζπνπδψλ κνπ.

5 ΠΗΝΑΚΑ ΠΔΡΗΔΥΟΜΔΝΩΝ 1. ΕΘΑΓΩΓΗ 7 2. ΣΟ Τ ΡΟΓΟΝΟ Ω ΣΟΘΥΕΘΟ ΓΕΝΘΚΑ ΣΟΘΥΕΘΑ ΓΘΑ ΣΟ Τ ΡΟΓΟΝΟ ΜΕΘΟ ΟΘ ΠΑΡΑΚΕΤΗ ΣΟΤ Τ ΡΟΓΟΝΟΤ ΦΤΘΚΕ Θ ΘΟΣΗΣΕ ΣΟΤ Τ ΡΟΓΟΝΟΤ ΥΗΜΘΚΕ Θ ΘΟΣΗΣΕ ΣΟΤ Τ ΡΟΓΟΝΟΤ ΑΠΟΘΗΚΕΤΗ ΣΟΤ Τ ΡΟΓΟΝΟΤ Απνζήθεπζε ηνπ πδξνγφλνπ σο ζπµπηεζµέλν αέξην Απνζήθεπζε ηνπ πδξνγφλνπ σο θξπνγνληθφ πγξφ Απνζήθεπζε ηνπ πδξνγφλνπ ζε πδξίδηα µεηάιισλ Απνζήθεπζε ηνπ πδξνγφλνπ ζε λαλνζσιήλεο άλζξαθα ΥΡΗΕΘ ΣΟΤ Τ ΡΟΓΟΝΟΤ Η ΜΗΥΑΝΗ ΕΩΣΕΡΘΚΗ ΚΑΤΗ Εηζαγσγή Σεηξάρξνλνο θηλεηήξαο (4-X) ίρξνλνο θηλεηήξαο (2-Υ) Κηλεηήξαο Otto (βελδίλεο) Κηλεηήξαο Diesel (πεηξειαίνπ) Πεξηζηξνθηθφο θηλεηήξαο Wankel ΣΟ Τ ΡΟΓΟΝΟ Ω ΚΑΤΘΜΟ ΣΘ Μ.Ε.Κ ΓΕΝΘΚΑ ΓΘΑ ΣΟ Τ ΡΟΓΟΝΟ Ω ΚΑΤΘΜΟ ΣΟ Τ ΡΟΓΟΝΟ Ω ΚΑΤΘΜΟ ΣΘ ΚΤΦΕΛΕ ΚΑΤΘΜΟΤ Κπςέιεο θαπζίµνπ µεµβξάλεο αληαιιαγήο πξσηνλίσλ (PEMFC) Κπςέιεο θαπζίµνπ θσζθνξηθνχ νμένο (PAFC) Κπςέιεο θαπζίµνπ αιθαιίσλ (AFC) Κπςέιεο θαπζίµνπ ηεγµέλσλ αλζξαθηθψλ αιάησλ (MCFC) Κπςέιεο θαπζίµνπ ζηεξεψλ νμεηδίσλ (SOFC) Κπςέιεο θαπζίµνπ µεζαλφιεο (DMFC) ΕΠΘΛΟΓΗ ΣΟΤ Τ ΡΟΓΟΝΟΤ Ω ΜΕΛΛΟΝΣΘΚΟΤ ΦΟΡΕΑ ΕΝΕΡΓΕΘΑ ΥΑΡΑΚΣΗΡΘΣΘΚΑ ΣΟΤ Τ ΡΟΓΟΝΟΤ Ω ΚΑΤΘΜΟ Ε ΜΕΚ Επξχ θάζµα αλαθιεμηµφηεηαο Υαµειή ελέξγεηα αλάθιεμεο Τςειή ζεξµνθξαζία απηαλάθιεμεο Μεγάιε ηαρχηεηα θαχζεο Πνιχ ραµειή ππθλφηεηα & µεγάιε θαηά µάδα ελέξγεηα θαχζεο Τςειφο ζπληειεζηήο δηάρπζεο Μηθξή απφζηαζε ζβεζίµαηνο-εμάιεηςεο ηεο θιφγαο Τπνινγηζµφο ηνπ ιφγνπ αέξα πδξνγφλνπ γηα ζηνηρεηνµεηξηθή θαχζε 43

6 4.5. ΠΑΡΑΓΩΓΑ ΣΗ ΚΑΤΗ ΣΩΝ ΜΕΚ Τ ΡΟΓΟΝΟΤ & ΤΓΚΡΘΗ ΑΤΣΩΝ ΜΕ ΣΟΤ ΡΤΠΟΤ ΣΩΝ ΜΕΚ ΒΕΝΖΘΝΗ ΜΕΚ πδξνγφλνπ θαη νμείδηα ηνπ αδψηνπ (NOx) Παξάµεηξνη ιεηηνπξγίαο ησλ ΜΕΚ πδξνγφλνπ πνπ επεξεάδνπλ ην ζρεµαηηζµφ ησλ NOx Μεραληζµνί µείσζεο ησλ εθπεµπφµελσλ NOx Τπεξνμείδην ηνπ πδξνγφλνπ σο ξχπνο ησλ ΜΕΚ πδξνγφλνπ ΦΑΘΝΟΜΕΝΑ ΑΝΩΜΑΛΗ ΚΑΤΗ ΣΩΝ ΜΕΚ Τ ΡΟΓΟΝΟΤ Αλάθιεμε εηζαγσγήο (backfire) Αηηίεο πξφθιεζεο αλάθιεμεο ζηελ εηζαγσγή Μεραληζµνί αληηµεηψπηζεο ηεο αλάθιεμεο εηζαγσγήο Πξναλάθιεμε (preignition) Κξνπζηηθή θαχζε (knock) ΜΕΘΟ ΟΘ ΣΡΟΦΟ ΟΘΑ ΚΑΤΘΜΟΤ & ΥΗΜΑΣΘΜΟΤ ΣΟΤ ΜΘΓΜΑΣΟ Εμαεξησηήο & Έγρπζε ζηελ πνιιαπιή εηζαγσγήο (ΣΜΘ) Άµεζε έγρπζε (DI) & Έγρπζε ζηελ ζπξίδα εηζαγσγήο (PFI) ΣΕΥΝΟΛΟΓΘΚΑ ΕΜΠΟ ΘΑ & ΠΕΡΘΟΡΘΜΟΘ ΣΗ ΥΡΗΗ ΣΟΤ Τ ΡΟΓΟΝΟΤ Ω ΚΑΤΘΜΟ ΣΘ ΜΕΚ ΥΑΡΑΚΣΗΡΘΣΘΚΑ ΥΕ ΘΑΜΟΤ & ΛΕΘΣΟΤΡΓΘΑ ΣΩΝ ΜΕΚ Τ ΡΟΓΟΝΟΤ χζηεµα ηξνθνδνζίαο ηνπ θαπζίµνπ χζηεµα αλάθιεμεο θαη ζπηλζεξηζηέο (µπνπδί) Λίπαλζε ησλ ΜΕΚ πδξνγφλνπ Σερληθέο ςχμεο ηνπ ζαιάµνπ θαχζεο ρεδηαζµφο ηνπ ζαιάµνπ θαχζεο Βαζµφο ζπµπίεζεο ηξαηεγηθή ειέγρνπ ηνπ θνξηίνπ ηεο µεραλήο ΕΠΘΛΟΓΟ ΠΡΩΣΟΣΤΠΑ ΟΥΗΜΑΣΑ Τ ΡΟΓΟΝΟΤ 5.1. ΕΘΑΓΩΓΗ BMW 728hL (1998) BMW 750hL (1999) BMW E65 745h (2001) BMW MINI Cooper Hydrogen (2001) BMW 7-series 6.0-liter V12 Hydrogen (2003) BMW H2R (2004) BMW Hydrogen 7 (2006) Ford H2RV (2003) Ford Focus C-Max H2ICE (2004) MAZDA HR-X (1991) & MAZDA HR-X2 (1993) 83

7 5.12. MAZDA RX-8 RE (2003) MAZDA 5/PREMACY Hydrogen RE Hybrid Minivan (2005) MAN SL 202 & NL 202 (Πηινηηθφ Πξφγξαµµα EQHHPP) MAN Lion s City H 150kW & MAN Lion s City H 200kW 89 ΒΘΒΛΘΟΓΡΑΦΘΑ 90 ΔΗΑΓΩΓΖ ΚΔΦΑΛΑΗΟ ΠΡΟΛΟΓΟ πσο είλαη επξέσο γλσζηφ, ηα ηειεπηαία ρξφληα, νη αιιαγέο ζην παγθφζµην θιίµα θαη ε ξχπαλζε ηνπ πεξηβάιινληνο έρνπλ ζεµαηνδνηήζεη ηελ αθχπληζε ηεο παγθφζµηαο επηζηεµνληθήο θνηλφηεηαο. Οη θαηαζηξνθέο πνπ έρνπλ πξνθιεζεί απφ µεγάιεο έληαζεο θαηξηθά θαηλφµελα, ε άλνδνο ηεο µέζεο ζεξµνθξαζίαο ηνπ πιαλήηε, θαηλφµελα φπσο ε δηαβξσηηθή φμηλε βξνρή, ε εξεµνπνίεζε ησλ εδαθψλ ιφγσ παξαηεηαµέλεο αλνµβξίαο θαη μεξαζίαο θαη ην ηαρχηεξν απ φηη είρε πξνβιεθζεί ιηψζηµν ησλ πάγσλ ζηνπο πφινπο απνηεινχλ ηηο απνδείμεηο ηνπ πεξηβαιινληηθνχ εγθιήµαηνο πνπ ζπληειείηαη ζηηο µέξεο µαο. Κχξηνο έλνρνο, ε αιφγηζηε ρξήζε ησλ νξπθηψλ θαπζίµσλ σο ε εχθνιε θαη νηθνλνµηθφηεξε ιχζε ηεο θάιπςεο ησλ παγθφζµησλ ελεξγεηαθψλ αλαγθψλ. Η ζεµαληηθή αχμεζε ησλ εθπεµπφµελσλ αεξίσλ ηνπ ζεξµνθεπίνπ (δηνμείδην ηνπ άλζξαθα, νμείδηα ηνπ αδψηνπ θ.ιπ.) απφ ηηο αλζξψπηλεο δξαζηεξηφηεηεο έρνπλ σο ζπλέπεηα ηνλ εγθισβηζµφ ηεο ππέξπζξεο αθηηλνβνιίαο ηνπ ήιηνπ ζηελ αηµφζθαηξα µε απνηέιεζµα ηελ άλνδν ηεο µέζεο ζεξµνθξαζίαο ηνπ πιαλήηε. Λχζεηο γηα ηελ απνθπγή ηεο επεξρφµελεο θαηαζηξνθήο ππάξρνπλ, ζηνηρίδνπλ φµσο αθφµε αξθεηά. Οη ελαιιαθηηθέο έρνπλ µπεη ζην µηθξνζθφπην ησλ εξεπλεηψλ θαη ηεξάζηηα θνλδχιηα δηαηίζεληαη πιένλ ζε παλεπηζηήµηα θαη εξεπλεηηθά θέληξα γηα ηελ έξεπλα µε ζθνπφ ηελ απεμάξηεζε απφ ηα νξπθηά θαχζηµα. ζεο δηαθσλίεο θαη λα ππάξρνπλ γηα ηηο µεηαβαηηθέο ηερλνινγίεο, φιεο νη επηζηεµνληθέο απφςεηο ζπµπίπηνπλ ζηελ ηειηθή ιχζε. Η «νηθνλνµία ηνπ πδξνγφλνπ» είλαη απηή πνπ πηζαλφηαηα ζα δηαδερζεί ηελ νηθνλνµία ηνπ «µαχξνπ ρξπζνχ». Φαίλεηαη ινηπφλ φηη ην πδξνγφλν, ην πνιχηηµν απηφ ζηνηρείν πνπ απνηειεί ηελ βάζε ηνπ ζχµπαληνο θαη ππάξρεη ζε αθζνλία ζηε γε, αιιά ζρεδφλ πάληα ελσµέλν µε άιια ζηνηρεία, απνηειεί µία απφ ηηο ζεµαληηθφηεξεο ιχζεηο γηα ηελ θάιπςε ησλ µεηαθνξηθψλ αλαγθψλ ηνπ µέιινληνο. χµθσλα µε ηηο πξνβιέςεηο ησλ εηδηθψλ, ζηηο επφµελεο ηξεηο µε ηέζζεξηο δεθαεηίεο, ην πδξνγφλν ζα δηεηζδχζεη ζηελ αγνξά ηνπ απηνθηλήηνπ, µε ηελ άµεζε ρξήζε ηνπ σο θχξην θαχζηµν ζηηο µεραλέο εζσηεξηθήο θαχζεο πξηλ ε παγθφζµηα ελεξγεηαθή θνηλφηεηα νδεγεζεί

8 ζηελ επξεία έµµεζε ρξήζε ηνπ πδξνγφλνπ γηα ηελ παξαγσγή ειεθηξηθνχ ξεχµαηνο ζε ζπζηήµαηα θπςειψλ θαπζίµνπ, µε ζθνπφ ηελ ηξνθνδνζία ειεθηξηθψλ θηλεηήξσλ γηα ηελ θίλεζε ησλ απηνθηλήησλ. ηελ δηπισµαηηθή απηή εξγαζία εμεηάδεηαη ε ρξήζε ηνπ πδξνγφλνπ σο θαχζηµν ζηηο µεραλέο εζσηεξηθήο θαχζεο θαη ζε κνξθή θπςειψλ Παξνπζηάδνληαη αλαιπηηθά φιεο νη ηειεπηαίεο εμειίμεηο ζρεηηθά µε ηε ρξήζε ηνπ πδξνγφλνπ σο θαχζηµν ζηηο ΜΕΚ, ηα θχξηα εμαξηήµαηα ελφο θηλεηήξα πδξνγφλνπ θαη πψο απηά δηαθέξνπλ απφ έλαλ θηλεηήξα βελδίλεο, θαζψο θαη ηα ζεηηθά ζεµεία ηεο θαχζεο ηνπ πδξνγφλνπ. Επίζεο εμεηάδνληαη ηα πξνβιήµαηα πνπ παξαηεξνχληαη ζηνλ θηλεηήξα θαηά ηελ παξαγσγή ρξήζηµνπ µεραληθνχ έξγνπ θαηά ηελ θαχζε ηνπ πδξνγφλνπ, (π.ρ. πξναλάθιεμε) θαη ηέινο παξνπζηάδνληαη ηα νρήµαηα µεγάισλ θαηαζθεπαζηψλ πνπ θηλνχληαη θπςέιεο θαπζίκνπ θαζψο θαη µε θαχζηµε χιε ην πδξνγφλν.

9 ΚΔΦΑΛΑΗΟ 2 ΣΟ Τ ΡΟΓΟΝΟ Ω ΥΖΜΗΚΟ ΣΟΗΥΔΗΟ 2.1. ΓΔΝΗΚΑ ΣΟΗΥΔΗΑ ΓΗΑ ΣΟ Τ ΡΟΓΟΝΟ Σν ρεµηθφ ζηνηρείν πδξνγφλν είλαη έλα αµέηαιιν µε αηνµηθφ αξηζµφ 1 θαη αηνµηθφ βάξνο 1,008. Σν πδξνγφλν είλαη ην πξψην ζηνηρείν ηνπ πεξηνδηθνχ πίλαθα θαη ζπµβνιίδεηαη µε Η. ε θαλνληθέο ζπλζήθεο πίεζεο θαη ζεξµνθξαζίαο βξίζθεηαη ζε αέξηα θαηάζηαζε. Καηά ηελ θαχζε ηνπ πδξνγφλνπ ζρεµαηίδεηαη λεξφ. Σν φλνµα ηνπ ζηνηρείνπ δφζεθε απφ ηνλ Γάιιν ρεµηθφ Λαβνπαδηέ (Antoine Lavoisier) θαη έρεη ηηο ξίδεο ηνπ ζηηο ιέμεηο ηεο αξραίαο ειιεληθήο γιψζζαο «χδσξ» θαη «γέλνµαη». Σν πδξνγφλν είλαη ην πην άθζνλν ρεµηθφ ζηνηρείν ζηνλ Γαιαμία φπνπ απαληάηαη ζε δεθαπιάζηα πεξίπνπ αλαινγία ζε ζρέζε µε ην ήιην, ην δεχηεξν θαηά ζεηξά αθζνλίαο ρεµηθφ ζηνηρείν. πγθεληξψλεηαη ππφ ηελ επίδξαζε ησλ δπλάµεσλ ηεο βαξχηεηαο ζηνπο αζηέξεο, φπνπ, µέζσ µηαο ζεηξάο ζεξµνππξεληθψλ αληηδξάζεσλ µεηαηξέπεηαη ζε ήιην. Η δηαδηθαζία απηή πνπ ιαµβάλεη ρψξα ζηνλ Ήιην θαη ζηνπο άιινπο αζηέξεο, ζπλνδεχεηαη απφ ηελ απειεπζέξσζε ηεξαζηίσλ πνζψλ ελέξγεηαο (ηεο αζηξηθήο ελέξγεηαο). Παξά ηελ πνιχ µεγάιε ηνπ αλαινγία ηνπ ζην χµπαλ, ε νπνία εθηηµάηαη φηη αλέξρεηαη ζην 75% ηεο µάδαο ηνπ, ην πδξνγφλν αληηπξνζσπεχεη µφιηο ην 0,14% ηνπ ζηεξενχ θινηνχ ηεο Γεο. Απαληάηαη, εληνχηνηο, ζε πνιχ µεγάιεο πνζφηεηεο σο ζπζηαηηθφ ηνπ λεξνχ φπνπ πεξηέρεηαη ζε αλαινγία πεξίπνπ 11% ησλ ζαιαζζψλ, ησλ ιηµλψλ, ησλ πνηαµψλ ησλ πάγσλ θαη ηεο αηµφζθαηξαο. Έηζη ππνινγίδεηαη φηη απνηειεί ην 0,9% ηεο µάδαο νιφθιεξνπ ηνπ πιαλήηε. Η παξνπζία, πάλησο, ειεχζεξνπ αεξίνπ πδξνγφλνπ ζηελ αηµφζθαηξα παξαµέλεη ραµειή εμαηηίαο ηεο ζπλερνχο δηαθπγήο ησλ µνξίσλ ηνπ πξνο ην δηάζηεµα. Καζψο ππεηζέξρεηαη ζηε ζχζηαζε ησλ πνιπάξηζµσλ νξγαληθψλ ελψζεσλ, ην πδξνγφλν ζπλαληάηαη ζε φινπο ηνπο θπηηθνχο θαη δσηθνχο ηζηνχο, θαζψο θαη ζην πεηξέιαην. Έηζη, φπσο θαη ν

10 άλζξαθαο, ζρεµαηίδεη ηεξάζηην αξηζµφ ρεµηθψλ ελψζεσλ, ελψ ελψλεηαη µε φια ηα ρεµηθά ζηνηρεία εθηφο απφ ηα επγελή αέξηα. Είλαη µάιηζηα πνιχ πηζαλφ νη ελψζεηο ηνπ πδξνγφλνπ λα είλαη πεξηζζφηεξεο θη απ απηέο αθφµε ηηο ελψζεηο ηνπ άλζξαθα. Ο Παξάθειζνο, Γεξµαλνειβεηφο αιρεµηζηήο θαη γηαηξφο ηνπ 16νπ αηψλα, ήηαλ ν πξψηνο ν νπνίνο ρσξίο λα ην γλσξίδεη, πεηξαµαηίζηεθε µε ην πδξνγφλν. ηαπίζησζε ηελ έθιπζε ελφο εχθιεθηνπ αεξίνπ θαηά ηελ θαηεξγαζία νξηζµέλσλ µεηάιισλ µε νμέα. Γηα µεγάιε ρξνληθή πεξίνδν, σζηφζν, ππήξρε ζχγρπζε αλάµεζα ζην αέξην απηφ θαη ζε άιια θαχζηµα αέξηα, φπσο είλαη ην µνλνμείδην ηνπ άλζξαθα θαη νη αέξηνη πδξνγνλάλζξαθεο. Σν 1766, ν Άγγινο ρεµηθφο θαη θπζηθφο Κάβεληηο (Henry Cavendish) απέδεημε φηη ην πδξνγφλν, ην νπνίν ήηαλ ηφηε γλσζηφ µε ηηο νλνµαζίεο «εχθιεθηνο αέξαο»,«θινγηζηφλ» θαη «εχθιεθην ζηνηρείν» δηαθξίλεηαη απφ ηα άιια εχθιεθηα αέξηα ιφγσ ηεο ραµειήο ηνπ ππθλφηεηαο θαη ηνπ γεγνλφηνο φηη παξάγεηαη ζπγθεθξηµέλνο φγθνο ηνπ απφ ηελ αληίδξαζε δεδνµέλσλ πνζνηήησλ νμέσλ θαη µεηάιισλ. Σν 1781, ν Κάβεληηο επηβεβαίσζε νξηζµέλεο παιαηφηεξεο παξαηεξήζεηο ηνπ φηη ην λεξφ είλαη πξντφλ ηεο θαχζεο ηνπ πδξνγφλνπ. Με αθνξµή ην γεγνλφο απηφ, ν Γάιινο ρεµηθφο Λαβνπαδηέ ν νπνίνο ζεσξείηαη ν παηέξαο ηεο ζχγρξνλεο ρεµείαο, έδσζε ζην ζηνηρείν απηφ ηελ νλνµαζία «πδξνγφλν» ε νπνία θαη θαζηεξψζεθε. Σν 1929, ν Γεξµαλφο θπζηθνρεµηθφο Μπφλρεθεξ (Karl Freidrich Bonhoeffer) θαη ν Απζηξηαθφο ρεµηθφο Υάξηεθ (Paul Harteck) απέδεημαλ βαζηδφµελνη ζε µηα παιαηφηεξε ζεσξεηηθή εξγαζία, φηη ην θνηλφ αέξην πδξνγφλν (H 2 ) είλαη ζηελ πξαγµαηηθφηεηα έλα µίγµα δχν εηδψλ µνξίσλ, ηνπ νξζφ-θαη ηνπ παξα-πδξνγφλνπ. Υάξε ζηελ απιή δνµή ησλ µνξίσλ ηνπ πδξνγφλνπ, νη ηδηφηεηεο ηνπο είλαη δπλαηφ λα ζπλαρζνχλ ζεσξεηηθψο µε ζρεηηθή επθνιία. Έηζη, ην πδξνγφλν ζπρλά ρξεζηµνπνηείηαη σο πξφηππν θαηά ηε µειέηε πνιππινθφηεξσλ αηφµσλ, αθνχ ηα ζπµπεξάζµαηα πνπ πξνθχπηνπλ γη απηφ είλαη δπλαηφλ λα εθαξµνζηνχλ πνηνηηθψο θαη ζηελ πεξίπησζε άιισλ αηφµσλ ΜΔΘΟ ΟΗ ΠΑΡΑΚΔΤΖ ΣΟΤ Τ ΡΟΓΟΝΟΤ Η ζπγθέληξσζε θαζαξνχ αέξηνπ πδξνγφλνπ ζηελ αηµφζθαηξα είλαη αµειεηέα θαζψο ηα µφξηα ηνπ πδξνγφλνπ ιφγσ ηνπ ραµεινχ ηνπο βάξνπο δηαθεχγνπλ πξνο ην δηάζηεµα. Έηζη ηίζεηαη ην πξφβιεµα ηεο παξαζθεπήο ηνπ. Οη µέζνδνη γηα ηελ παξαζθεπή ηνπ πδξνγφλνπ είλαη πνιπάξηζµνη θαη ρσξίδνληαη ελδεηθηηθά ζε ηέζζεξηο θαηεγνξίεο:ηηο ζεξµνρεµηθέο αληηδξάζεηο, ηηο ειεθηξνιπηηθέο,ηηο θσηνιπηηθέο θαζψο θαη ηηο αληηδξάζεηο απιήο αληηθαηάζηαζεο. Η ζεµαληηθφηεξε βηνµεραληθή µέζνδνο γηα ηελ παξαζθεπή ηνπ πδξνγφλνπ αθνξά ηελ θαηεξγαζία µε πδξαηµνχο αεξίσλ πδξνγνλαλζξάθσλ ή πδξνγνλαλζξάθσλ ζε θαηάζηαζε

11 αηµψλ ππφ πςειή πίεζε θαη ζε ζεξµνθξαζίεο 650 θαη 950 C παξνπζία ληθειίνπ σο θαηαιχηε. C n H 2n+2 + nh 2 O nco + (2n+1)H 2 C n H2 n+2 + 2nH 2 O nco 2 + (3n+1)H 2 Με ηελ ηερληθή απηή παξάγεηαη έλα µίγµα πδξνγφλνπ θαη νμεηδίσλ ηνπ άλζξαθα ην νπνίν είλαη δπλαηφλ λα ππνβιεζεί πεξαηηέξσ ζε δηάθνξεο θαηεξγαζίεο, αλαιφγσο ησλ εθαξµνγψλ γηα ηηο νπνίεο πξννξίδεηαη ην πδξνγφλν. Μία άιιε ζεµαληηθή δηαδηθαζία γηα ηελ παξαγσγή πδξνγφλνπ είλαη ε µεξηθή νμείδσζε πδξνγνλαλζξάθσλ, απνπζία θαηαιχηε, ππφ πςειέο πηέζεηο: C n H 2n+2 + (n/2)o 2 nco + (n+1)h 2 Η µέζνδνο απηή επηβάιιεη ηελ χπαξμε ελφο ζπζηήµαηνο ηξνθνδνζίαο γηα ηνλ αθξηβή θαζνξηζµφ ηνπ ξπζµνχ εηζαγσγήο ηνπ νμπγφλνπ θαη ησλ πδξνγνλαλζξάθσλ, ηε ρξεζηµνπνίεζε θαπζηήξσλ εηδηθνχ ηχπνπ νη νπνίνη λα εμαζθαιίδνπλ ηελ ηαρεία αλάµημε ησλ αληηδξψλησλ ζσµάησλ, ηελ θαηαζθεπή ησλ αληηδξαζηήξσλ απφ αλζεθηηθά,ππξίµαρα πιηθά θαη ηελ εηζαγσγή ελφο ζπζηήµαηνο ςχμεο, γηα ηελ απαγσγή ηεο ζεξµφηεηαο απφ ηα αέξηα πξντφληα ηεο αληίδξαζεο, θαζψο πξφθεηηαη γηα µηα εμψζεξµε δηαδηθαζία, ζε αληίζεζε µε ηελ πξνεγνχµελε δηαδηθαζία, πνπ είλαη ελδφζεξµε. Έρεη αλαπηπρζεί αθφµα θαη µηα ηξίηε µέζνδνο, ε νπνία απνηειεί ζπλδπαζµφ ησλ δχν παξαπάλσ ηερληθψλ. πγθεθξηµέλα, πξφθεηηαη γηα ηε µεξηθή νμείδσζε πδξνγνλαλζξάθσλ, ππφ πίεζε, παξνπζία θαηαιχηε, θαηά ηελ νπνία ε εθιπφµελε ζεξµφηεηα αμηνπνηείηαη γηα ηε δηαηήξεζε ηεο θιίλεο ηνπ θαηαιχηε ζηελ απαηηνχµελε ζεξµνθξαζία ρσξίο εμσηεξηθή ζέξµαλζε. Οη πδξνγνλάλζξαθεο αθνχ αλαµηρζνχλ µε ππέξζεξµνπο πδξαηµνχο θαη πξνζεξµαλζνχλ, εηζάγνληαη µαδί µε αέξην νμπγφλν, ην νπνίν έρεη επίζεο πξνζεξµαλζεί, ζε µηα δηάηαμε δηάρπζεο ηνπνζεηεµέλε ζηελ θνξπθή ηνπ θαηαιπηηθνχ αληηδξαζηήξα. Σν νμπγφλν αληηδξά µε ηνπο πδξνγνλάλζξαθεο ζηνλ ρψξν πάλσ απφ ηνλ θαηαιχηε, ελψ ην µίγµα πξνσζείηαη αθνινχζσο µέζα απφ ηελ θιίλε ηνπ θαηαιχηε ληθειίνπ, φπνπ νη αληηδξάζεηο αλάµεζα ζηνπο πδξνγνλάλζξαθεο θαη ηνπο πδξαηµνχο, ηειηθά, νδεγνχληαη ζε µηα θαηάζηαζε ζρεδφλ ηζνξξνπίαο. Πξηλ απφ ην 1940, ην µεγαιχηεξν µέξνο ηεο παγθφζµηαο παξαγσγήο πδξνγφλνπ βαζηδφηαλ ζην ζρεµαηηζµφ πδξαεξίνπ (ηζνµνξηαθνχ µίγµαηνο πδξνγφλνπ θαη µνλνμεηδίνπ ηνπ άλζξαθα) πνπ ιαµβάλεηαη θαηά ηε δηνρέηεπζε πδξαηµψλ πάλσ απφ δηάππξν άλζξαθα: H 2 O + C H 2 + CO

12 Μεηά ην 1970, φµσο, πνιχ µηθξφ µέξνο ηεο παγθφζµηαο παξαγσγήο πδξνγφλνπ ιαµβάλεηαη µ απηήλ ηε δηαδηθαζία. Γηα µεγάιε ρξνληθή πεξίνδν, µηθξά ζρεηηθά πνζά πδξνγφλνπ παξήρζεζαλ µε ειεθηξφιπζε πδαηηθψλ δηαιπµάησλ πδξνμεηδίνπ ηνπ λαηξίνπ ή αιάησλ. Η ειεθηξνιπηηθή παξαζθεπή ηνπ πδξνγφλνπ βαζίδεηαη ζηελ αθφινπζε εµηαληίδξαζε αλαγσγήο ηνπ λεξνχ: H 2 O + e - 1/2 H 2 + OH - ηα ρεµηθά εξγαζηήξηα, ε παξαζθεπή πδξνγφλνπ είλαη δπλαηφλ λα επηηεπρζεί θαηά ηελ επίδξαζε αξαηνχ δηαιχµαηνο ζεηηθνχ ή πδξνρισξηθνχ νμένο ζ έλα δξαζηηθφ µέηαιιν, φπσο ν ςεπδάξγπξνο. H 2 SO 4 + Zn ZnSO 4 + H 2 Γηα ηνλ δηαρσξηζµφ ηνπ πδξνγφλνπ απφ ην µνλνμείδην ηνπ άλζξαθα, µαδί µε ην νπνίν ζπλήζσο παξάγεηαη, έρνπλ αλαπηπρζεί δηάθνξεο ηερληθέο, φπσο γηα παξάδεηγµα ε µέζνδνο ηεο αεξηψδνπο δηάρπζεο. Καη απηήλ, ην αέξην µίγµα ξέεη ππφ πίεζε µέζα απφ δέζµεο µηθξνζθνπηθψλ δηάηξεησλ πνιπεζηεξηθψλ ηλψλ, δηαπηδχνληαο δηαµέζνπ ησλ ηνηρσµάησλ ηνπο. Άιιεο µέζνδνη παξαζθεπήο ηνπ πδξνγφλνπ ζπλνπηηθά είλαη νη παξαθάησ: Απφ ην θπζηθφ αέξην ή ην θσηαέξην µε θιαζµαηηθή δηαπίδπζε. Με ηελ επίδξαζε λεξνχ «ελ ςπρξψ» ζε λάηξην: Η 2 O + Na NaOH + 1/2 H 2 Με ηελ επίδξαζε ππέξζεξµσλ πδξαηµψλ ζε δηάππξν ζίδεξν: 4H 2 O + 3Fe Fe 3 O 4 + 4H 2 Με ηελ επίδξαζε λεξνχ ζε πδξνιίζην: 2H 2 O + 2LiH 2LiO + 3H 2 Απφ ηηο βάζεηο µε ηελ επίδξαζε επαµθνηεξηδφλησλ ζηνηρείσλ: 3ΚΟΗ + Αl K 3 AlO 3 + 3/2 H 2 Απφ ηελ ππξφιπζε ηνπ µεζαλίνπ: CH 4 C + 2H 2 Με πδξφιπζε ζηνπο 5000 C: 2H 2 O + ελέξγεηα 2H 2 + Ο 2

13 Είλαη πξνθαλέο φηη ε γεληθεπµέλε ρξήζε ηνπ πδξνγφλνπ σο θαχζηµν πξνυπνζέηεη ηελ πξνέιεπζε ηνπ πδξνγφλνπ απφ µία µέζνδν ε νπνία είλαη απνδνηηθή, απφ µία πεγή πνπ ηδαληθά είλαη αλεμάληιεηε, µε ηελ θαηά ην δπλαηφλ ιηγφηεξε απαηηνχµελε ελέξγεηα,ηδαληθά πξνεξρφµελε απφ αλαλεψζηµεο πεγέο, θαη ηέινο απφ µία αληίδξαζε ε νπνία δελ απειεπζεξψλεη ξππνγφλεο νπζίεο ζηελ αηµφζθαηξα (φπσο π.ρ. µνλνμείδην ή δηνμείδην ηνπ άλζξαθα). Φαίλεηαη ινηπφλ σο ηδαληθή ιχζε, ε παξαζθεπή ηνπ πδξνγφλνπ απφ ηελ ειεθηξφιπζε πδαηηθψλ δηαιπµάησλ, αθφµα θαη ζαιαζζηλνχ λεξνχ, µε ηελ αλαγθαία ειεθηξηθή ελέξγεηα πξνεξρφµελε απφ αλαλεψζηµεο πεγέο. Έηζη ιχλεηαη ην πξφβιεµα ησλ εθπνµπψλ αεξίσλ ηνπ ζεξµνθεπίνπ φρη µφλν θαηά ηελ παξαγσγή ρξήζηµνπ έξγνπ απφ ηελ θαχζε ηνπ ελαιιαθηηθνχ θαπζίµνπ αιιά θαη θαηά ηελ παξαγσγή ηνπ ίδηνπ ηνπ θαπζίµνπ. Απφ ηελ άιιε πιεπξά, ην ζπλνιηθφ ηζνδχγην ελέξγεηαο είλαη ζεηηθφ, εθφζνλ ε θαηαλάισζε ελέξγεηαο πνπ απαηηείηαη γηα ηελ παξαγσγή ηνπ θαπζίµνπ είλαη ζηελ νπζία µεδεληθή, αλ ε ελέξγεηα βέβαηα πξνέξρεηαη απφ αλαλεψζηµεο πεγέο, ΦΤΗΚΔ Η ΗΟΣΖΣΔ ΣΟΤ Τ ΡΟΓΟΝΟΤ Σν πδξνγφλν ζε θαλνληθέο ζπλζήθεο πίεζεο θαη ζεξµνθξαζίαο είλαη αέξην άρξσµν, άνζµν, άγεπζην θαη εχθιεθην. πσο θαη ηα πεξηζζφηεξα αέξηα ην µφξην ηνπ πδξνγφλνπ είλαη δηαηνµηθφ. Κάζε άηνµν πδξνγφλνπ απνηειείηαη απφ έλαλ ππξήλα, γχξσ απφ ηνλ νπνίν πεξηθέξεηαη έλα ειεθηξφλην. Σν πδξνγφλν απαληάηαη ζηε θχζε µε ηε µνξθή ηξηψλ ηζνηφπσλ ηνπ µε µαδηθνχο αξηζµνχο 1,2 θαη 3. Απ απηά, ην πξψην πνπ είλαη γλσζηφ σο ειαθξχ πδξνγφλν ή απιά πδξνγφλν ή πξψηην ( 1 H ή απιά H), απνηειείηαη απφ άηνµα, νη ππξήλεο ησλ νπνίσλ ζπλίζηαληαη απφ έλα απιφ πξσηφλην. Σν ηζφηνπφ ηνπ µε µαδηθφ αξηζµφ 2, γλσζηφ σο βαξχ πδξνγφλν ή δεπηέξην ( 2 H ή D), πεξηέρεηαη ζην θπζηθφ πδξνγφλν ζε αλαινγία 0,0156%, ελψ νη ππξήλεο ησλ αηφµσλ ηνπ απνηεινχληαη απφ έλα πξσηφλην θαη έλα λεηξφλην. Σν ηζφηνπφ ηνπ, ηέινο, µε µαδηθφ αξηζµφ 3, γλσζηφ σο ππεξβαξχ πδξνγφλν ή ηξίηην ( 3 H ή T) πεξηέρεηαη ζην πδξνγφλν ζε αλαινγία %, ελψ νη ππξήλεο ησλ αηφµσλ ηνπ απνηεινχληαη απφ έλα πξσηφλην θαη δχν λεηξφληα. Σν ηξίηην είλαη ξαδηελεξγφ µε ρξφλν εµίζεηαο δσήο ηα 12,4 ρξφληα θαη ζρεµαηίδεηαη θαηά ηελ επίδξαζε ησλ λεηξνλίσλ ηεο θνζµηθήο αθηηλνβνιίαο ζην αηµνζθαηξηθφ άδσην. Η απφδνζε μερσξηζηψλ νλνµάησλ θαη ρεµηθψλ ζπµβφισλ ζηα ηζφηνπα ηνπ πδξνγφλνπ αηηηνινγείηαη απφ ην γεγνλφο φηη παξνπζηάδνπλ ζεµαληηθέο δηαθνξέο ζηηο ηδηφηεηέο ηνπο. ηνλ Πίλαθα 2.1 παξνπζηάδνληαη νη θπξηφηεξεο θπζηθέο ηδηφηεηεο ηνπ πδξνγφλνπ.

14 Φπζηθέο Ηδηόηεηεο ηνπ Τδξνγόλνπ Αηνµηθό Τδξνγόλν Πξώηην επηέξην Ηδηόηεηα χµβνιν H D Αηνµηθφο αξηζµφο 1 1 Αηνµηθφ βάξνο 1,008 2,0141 Ελέξγεηα ηνληηζµνχ (ev) 13,595 13,6 Ηιεθηξνζπγγέλεηα (ev) 0,754 - Ππξεληθφ ζπηλ 1/2 1 Ππξεληθή µαγλεηηθή 2,7927 0,8574 δηπνιηθή ξνπή (Ππξεληθά µαγλεηφληα) Ππξεληθή ειεθηξηθή 0 2, ηεηξαπνιηθή ξνπή (cm2) Ηιεθηξαξλεηηθφηεηα 2,1 ~2,1 (θαηά Pauling) ζέλνο -1, +1-1, +1 Ηιεθηξνληθή δνµή 1S 1 1S 1 Μνξηαθό πδξνγόλν Μήθνο ρεκηθνχ δεζκνχ (ψλγθζηξεκ) 0,7416 0,7416 Ελέξγεηα δηάζηαζεο 104,19 105,97 (25 C) (kcal/mol) Ελέξγεηα ηνληηζµνχ (ev) 15,427 15,457 Εηδηθφ βάξνο (ζηεξενχ) 0, ,1967 εµείν ηήμεο ( C) -259,20-254,43 Εηδηθφ βάξνο (πγξνχ) 0, ,1630 Λαλζάλνπζα ζεξµφηεηα ηήμεο (cal/mol) εµείν δέζεο ( C) -252,77-249,49 Λαλζάλνπζα ζεξµφηεηα εμάηµηζεο Κξίζηµε ζεξµνθξαζία ,8 ( C) Κξίζηµε πίεζε (atm) 13 16,4 Κξίζηµε ππθλφηεηα 0,0310 0,0668 (g/cm3) Θεξµφηεηα θαχζεο(πξνο πδξαηµνχο kcal/mol) -57,796-59,564

15 Πίλαθαο 2.1: Οη θπζηθέο ηδηόηεηεο ησλ ηζνηόπσλ ηνπ πδξνγόλνπ, πξώηην θαη δεπηέξην. ηαπηζηψλεηαη φηη ην µνξηαθφ πδξνγφλν ραξαθηεξίδεηαη απφ εμαηξεηηθά ραµειά ζεµεία ηήμεο θαη δέζεο, γεγνλφο πνπ απνδίδεηαη ζηηο πνιχ αζζελείο ειθηηθέο δπλάµεηο νη νπνίεο αζθνχληαη µεηαμχ ησλ µνξίσλ ηνπ. Η χπαξμε απηψλ ησλ δηαµνξηαθψλ δπλάµεσλ επηβεβαηψλεηαη επίζεο θαη απφ ηελ αλχςσζε ηεο ζεξµνθξαζίαο ηνπ αέξηνπ πδξνγφλνπ φηαλ απηφ εθηνλψλεηαη (θέξεηαη δειαδή απφ ραµειέο ζε πςειέο πηέζεηο) ζηε ζπλήζε ζεξµνθξαζία, ζε αληίζεζε µε ηα πεξηζζφηεξα αέξηα, ε ζεξµνθξαζία ησλ νπνίσλ µεηψλεηαη θάησ απφ αληίζηνηρεο ζπλζήθεο. Σν πδξνγφλν είλαη δηαθαλέο ζηηο ππέξπζξεο, νξαηέο θαη ππεξηψδεηο θσηεηλέο αθηηλνβνιίεο µε µήθε θχµαηνο µηθξφηεξα απφ 1800 ψλγθζηξεµ. Καζψο ην µνξηαθφ ηνπ βάξνο είλαη µηθξφηεξν απφ ην µνξηαθφ βάξνο νπνηνπδήπνηε άιινπ αεξίνπ, ηα µφξηά ηνπ ραξαθηεξίδνληαη απφ ηαρχηεηεο µεγαιχηεξεο απφ εθείλεο φισλ ησλ άιισλ αεξίσλ γηα µηα δεδνµέλε ζεξµνθξαζία. Πξάγµαηη, ην αέξην πδξνγφλν δηαρέεηαη ηαρχηεξα απφ θάζε άιιν αέξην, ελψ ε θηλεηηθή ελέξγεηα θαηαλέµεηαη µεηαμχ ησλ µνξίσλ ηνπ µε γξεγνξφηεξν ξπζµφ ζε ζχγθξηζε µε ηα ππφινηπα αέξηα. Έηζη ην πδξνγφλν ραξαθηεξίδεηαη απφ ηε µεγαιχηεξε ζεξµηθή αγσγηµφηεηα ζε ζχγθξηζε µε ηα άιια αέξηα. ηα µφξηα ηνπ πδξνγφλνπ, δχν άηνµα πδξνγφλνπ ζπλδένληαη µεηαμχ ηνπο µε νµνηνπνιηθφ ρεµηθφ δεζµφ µέζσ ελφο θνηλνχ δεχγνπο ειεθηξνλίσλ. Έηζη, ζην ζχζηεµα απηφ, φπσο θαη ζηελ πεξίπησζε ηνπ απινχ αηφµνπ πδξνγφλνπ, αληηζηνηρνχλ πνιπάξηζµεο επηηξεπφµελεο ελεξγεηαθέο ζηάζµεο.

16 Δηθόλα 2.1 ηελ εηθφλα 2.1 απεηθνλίδεηαη ε αφξαηε θιφγα πδξνγφλνπ πνπ αλαθιέγεη ζθνχπα θαηαζθεπαζµέλε απφ θαιαµπφθη. Ο ηξφπνο απηφο ζπρλά ρξεζηµνπνηείηαη απφ ην πξνζσπηθφ αζθαιείαο βηνµεραληψλ, ζρεηηθψλ µε ηερλνινγίεο πδξνγφλνπ, γηα ηελ αλίρλεπζε θιφγαο πδξνγφλνπ ΥΖΜΗΚΔ Η ΗΟΣΖΣΔ ΣΟΤ Τ ΡΟΓΟΝΟΤ Σα µφξηα ηνπ πδξνγφλνπ δηίζηαληαη ζε απιά άηνµα (H 2 2H) εθφζνλ παξαζρεζεί ζ απηά ελέξγεηα ίζε ή µεγαιχηεξε απ απηήλ πνπ απαηηείηαη γηα ηε δηάζπαζε ηνπ ππάξρνληνο ρεµηθνχ δεζµνχ. Η ελέξγεηα δηάζηαζεο ηνπ µνξηαθνχ πδξνγφλνπ είλαη ίζε µε 104kcal/mol θαη είλαη δπλαηφ λα πξνζθεξζεί φηαλ π.ρ. ην αέξην έιζεη ζε επαθή µ έλα ιεπθνππξσµέλν λήµα βνιθξαµίνπ ή θαηά ηε δεµηνπξγία ειεθηξηθήο εθθέλσζεο µέζα ζηε µάδα ηνπ. Αλ ην αηνµηθφ πδξνγφλν ζρεµαηίδεηαη ππφ ειαηησµέλε πίεζε, δηαηεξείηαη ζ απηή ηελ θαηάζηαζε γηα ζρεηηθά µεγάιν ρξνληθφ δηάζηεµα, π.ρ. γηα 0,3s ππφ πίεζε 0,5mmHg. Σν αηνµηθφ πδξνγφλν είλαη εμαηξεηηθά δξαζηηθφ απφ ρεµηθήο απφςεσο. Ελψλεηαη µε ηα πεξηζζφηεξα ρεµηθά ζηνηρεία, ζρεµαηίδνληαο πδξίδηα, φπσο είλαη π.ρ. Σν πδξίδην ηνπ λαηξίνπ (NaH), ή αλάγεη ηα νμείδηα ησλ µεηάιισλ, επαλαθέξνληαο ηα αληίζηνηρα µέηαιια ζηελ ειεχζεξε θαηάζηαζε. Οη επηθάλεηεο ησλ µεηάιισλ, ηα νπνία δελ ελψλνληαη µε ην αηνµηθφ πδξνγφλν πξνθεηµέλνπ λα ζρεµαηίζνπλ πδξίδηα (φπσο π.ρ. ηνπ ιεπθφρξπζνπ), θαηαιχνπλ ηελ αληίδξαζε επαλαζχλδεζεο ησλ αηφµσλ πδξνγφλνπ ζε µφξηα πδξνγφλνπ, ελψ ε ζεξµφηεηα πνπ απειεπζεξψλεηαη απφ ηελ αληίδξαζε απηή είλαη δπλαηφλ λα νδεγήζεη ηε µεηαιιηθή επηθάλεηα ζηε θαηάζηαζε ηεο ιεπθνπχξσζεο. Σν µνξηαθφ πδξνγφλν είλαη δπλαηφλ λα αληηδξάζεη µε πνιιά ρεµηθά ζηνηρεία θαη ελψζεηο, αιιά ζηε ζπλήζε ζεξµνθξαζία νη ηαρχηεηεο ησλ αληίζηνηρσλ αληηδξάζεσλ είλαη ηφζν µηθξέο, ψζηε λα ζεσξνχληαη αµειεηέεο. Η θαηλνµεληθή απηή αδξάλεηα ηνπ µνξηαθνχ πδξνγφλνπ ζπλδέεηαη θαη µε ηελ πςειή ελέξγεηα δηάζηαζεο ησλ µνξίσλ ηνπ. ε πςειέο ζεξµνθξαζίεο, εληνχηνηο, νη ξπζµνί απηψλ ησλ αληηδξάζεσλ γίλνληαη ζεµαληηθνί. Σν πδξνγφλν ζρεµαηίδεη µε νξηζµέλα αέξηα ζψµαηα φπσο είλαη ην ριψξην θαη ην νμπγφλν, εθξεθηηθά µίγµαηα, ηα νπνία εθξήγλπληαη βηαίσο φηαλ ππνζηνχλ ηελ θαηάιιειε δηέγεξζε. Έηζη, έλα µίγµα πδξνγφλνπ θαη ρισξίνπ αληηδξά µε εθξεθηηθφ ηξφπν φηαλ θσηίδεηαη απφ νξηζµέλεο αθηηλνβνιίεο ή θαηά ηελ αλάπηπμε ζπηλζήξσλ, παξέρνληαο πδξνριψξην ζχµθσλα µε ηελ αληίδξαζε: H 2 + Cl 2 2HCl

17 Σα µίγµαηα πδξνγφλνπ θαη νμπγφλνπ αληηδξνχλ µε ππνινγίζηµεο ηαρχηεηεο µφλν ζε ζεξµνθξαζίεο πςειφηεξεο ησλ 300 C, ζχµθσλα µε ηελ αληίδξαζε: 2H 2 + O 2 2H 2 O Σέηνηα µίγµαηα πεξηεθηηθφηεηαο ζε πδξνγφλν µεηαμχ 4 θαη 75% αλαθιέγνληαη φηαλ ζεξµαίλνληαη ζηνπο C ή θέξνληαη ζε επαθή µε έλαλ θαηαιχηε, έλαλ ζπηλζήξα ή µία θιφγα. Η έθξεμε ελφο µίγµαηνο πδξνγφλνπ θαη νμπγφλνπ αλαινγίαο 2:1 είλαη εμαηξεηηθά βίαηε. Σν πδξνγφλν αληηδξά µε φια ζρεδφλ ηα µέηαιια θαη ηα αµέηαιια ρεµηθά ζηνηρεία ζε πςειέο ζεξµνθξαζίεο. Κάησ απφ απμεµέλεο ζεξµνθξαζίεο θαη πηέζεηο, ην πδξνγφλν αλάγεη ηα νμείδηα ησλ πεξηζζφηεξσλ µεηάιισλ θαη πνιιά µεηαιιηθά άιαηα πξνο ειεχζεξα µέηαιια. Παξαδείγµαηνο ράξηλ, αληηδξά µε ην πξσηνμείδην ηνπ ζηδήξνπ, ζρεµαηίδνληαο µεηαιιηθφ ζίδεξν θαη λεξφ: H 2 + FeO Fe + H 2 O ή µε ην ρισξηνχρν παιιάδην πξνο µεηαιιηθφ παιιάδην θαη πδξνριψξην: H 2 + PdCl 2 Pd + 2HCl Σν πδξνγφλν απνξξνθάηαη απφ πνιιά ζηνηρεία µεηάπησζεο ζρεµαηίδνληαο πδξίδηα µεηαιιηθήο θαηαζθεπήο, δειαδή µηα µνξθή θξάµαηνο. απηά, ην θξπζηαιιηθφ πιέγµα ηνπ µεηάιινπ απιψο δηαζηέιιεηαη ψζηε λα πεξηιάβεη ηα άηνµα ηνπ πδξνγφλνπ, ηα νπνία ηνπνζεηνχληαη ζε δηαπιεγµαηηθέο ζέζεηο, ρσξίο λα ζπµβαίλεη θάπνηα πξαγµαηηθή ρεµηθή µεηαβνιή ΑΠΟΘΖΚΔΤΖ ΣΟΤ Τ ΡΟΓΟΝΟΤ Λφγσ ηεο εμαηξεηηθά ραµειήο ππθλφηεηάο ηνπ, ην πδξνγφλν, θαηά ηελ απνζήθεπζε ηνπ σο αζπµπίεζην ξεπζηφ θαηαιαµβάλεη εμαηξεηηθά µεγάιν φγθν. Απηή ε ηδηφηεηα ηνπ πδξνγφλνπ απνηειεί ίζσο ηνλ ζεµαληηθφηεξν αλαζηαιηηθφ παξάγνληα ζηελ άµεζε αλάπηπμε θαη εδξαίσζε ηεο νηθνλνµίαο πδξνγφλνπ. Γηα παξάδεηγµα, 1kg πδξνγφλνπ ζε θαλνληθέο ζπλζήθεο πίεζεο θαη ζεξµνθξαζίαο (20 C, 1atm) θαηαιαµβάλεη φγθν 11m 3. Επνµέλσο, γηα ηελ ρξήζε ηνπ σο θαχζηµν θαη ηελ απφδνζε ελέξγεηαο ηεο ίδηαο ηάμεο µεγέζνπο µε ηα ζπµβαηηθά θαχζηµα, πξέπεη λα απμεζεί µε θάπνην ηξφπν ε ππθλφηεηα ηνπ, ψζηε ε δεμαµελή θαπζίµνπ ζην φρεµα λα θαηαιαµβάλεη ινγηθέο δηαζηάζεηο. Έηζη ην πδξνγφλν µπνξεί λα απνζεθεπηεί ζην φρεµα µε ηνπο εμήο αλαγλσξηζµέλνπο απφ ηελ επηζηεµνληθή θνηλφηεηα ηξφπνπο: µε ηε µνξθή ζπµπηεζµέλνπ αεξίνπ ζε εμαηξεηηθά πςειέο πηέζεηο σο θξπνγνληθφ πγξφ ζε εμαηξεηηθά ραµειέο ζεξµνθξαζίεο

18 µε ηε µνξθή µεηαιιηθνχ πδξηδίνπ, φπνπ αέξην πδξνγφλν ζρεµαηίδεη ρεµηθέο ελψζεηο µε ζπγθεθξηµέλα µέηαιια ή µεηαιιηθά θξάµαηα σο αέξην πδξνγφλν πξνζξνθεµέλν απφ θάπνην ζηεξεφ φπσο νη λαλνζσιήλεο άλζξαθα (carbon nanotubes). ηελ παξνχζα θάζε, ε ιχζε πνπ επξέσο ρξεζηµνπνηείηαη είλαη απηή ηεο απνζήθεπζεο ηνπ πδξνγφλνπ σο ζπµπηεζµέλν αέξην ελψ ε πιένλ ππνζρφµελε είλαη απηή ηεο απνζήθεπζήο ηνπ ζε πδξίδηα µεηάιισλ. ήµεξα, πάλησο, ηα ζπζηήµαηα απνζήθεπζεο θξπνγνληθνχ πδξνγφλνπ, παξά ην πςειφ ηνπο θφζηνο θαη ηελ πνιππινθφηεηά ηνπο, απνηεινχλ ηελ ρξπζή ηνµή µεηαμχ βάξνπο θαη απηνλνµίαο. Απ ηελ άιιε µεξηά, ε ηερλνινγία ηεο απνζήθεπζεο ζε λαλνζσιήλεο άλζξαθα, αλ θαη ππνζρφµελε γηα ην µέιινλ, είλαη αθφµε ζρεηηθά θαηλνχξγηα θαη ηα πεηξαµαηηθά απνηειέζµαηα δελ είλαη ηφζν μεθάζαξα αιιά µάιινλ αµθηιεγφµελα Απνζήθεπζε ηνπ πδξνγόλνπ σο ζπµπηεζµέλν αέξην Η πην θνηλή µέζνδνο απνζήθεπζεο ηνπ πδξνγφλνπ είλαη απηή ηεο ζπµπίεζήο ηνπ ζε θηάιεο αεξίνπ. Οη πηέζεηο πνπ αλαθέξνληαη ζηελ ζρεηηθή βηβιηνγξαθία µπνξεί λα δηαθέξνπλ απφ 345bar ή πεξίπνπ 5000psi έσο θαη 690bar ή πεξίπνπ 10000psi. Η απνζήθεπζε ζε ζπζηήµαηα πςειήο πίεζεο απμάλεη ηελ ππθλφηεηα ελέξγεηαο ηνπ πδξνγφλνπ θαη είλαη ζαθψο απαξαίηεηε γηα ηελ µείσζε ηνπ φγθνπ ησλ δεμαµελψλ πνπ µεηαθέξνληαη ζηνλ πεξηνξηζµέλν δηαζέζηµν ρψξν ελφο απηνθηλήηνπ. Η αλαγθαηφηεηα ζπµπίεζεο ηνπ πδξνγφλνπ, φµσο, πξνυπνζέηεη ηελ θαηαλάισζε ζεµαληηθψλ πνζψλ ελέξγεηαο γεγνλφο πνπ µεηψλεη ηελ ζπλνιηθή απφδνζε ηνπ ζπζηήµαηνο απνζήθεπζεο θαη απμάλεη ην θφζηνο ιεηηνπξγίαο θαη δηαρείξηζεο. πλήζσο ρξεζηµνπνηνχληαη θηάιεο θαηαζθεπαζµέλεο απφ θξάµαηα αινπµηλίνπ εληζρπµέλεο µε ζπλζεηηθά πιηθά αλ θαη ε αεξνδηαζηεµηθή βηνµεραλία παξέρεη ηελ ηερλνινγία γηα ηελ θαηαζθεπή θπιίλδξσλ απφ εηδηθά θξάµαηα αινπµηλίνπ εληζρπµέλα µε άλζξαθα, ηθαλά λα απνζεθεχζνπλ πδξνγφλν ζε πηέζεηο µέρξη θαη 700bar. Βέβαηα απηνχ ηνπ είδνπο νη θηάιεο είλαη αθφµε πνιχ αθξηβέο γηα ηελ εµπνξηθή ηνπο ρξήζε ζε πξντφληα απηνθίλεζεο Απνζήθεπζε ηνπ πδξνγόλνπ σο θξπνγνληθό πγξό Η πιένλ απνδεθηή ιχζε ζήµεξα γηα βειηηζηνπνίεζε ηνπ βάξνπο ησλ δεμαµελψλ (ξεδεξβνπάξ) θαη ηεο απηνλνµίαο ηνπ νρήµαηνο, µπνξεί λα επηηεπρζεί απφ ηελ απνζήθεπζε πγξνπνηεµέλνπ πδξνγφλνπ ζε θξπνγνληθέο δεμαµελέο. Η απνζήθεπζε ηνπ πδξνγφλνπ σο θξπνγνληθφ πγξφ είλαη εθηθηή ζηελ ζεξµνθξαζία ησλ 20K ή -253 C. Με ηελ µέζνδν απηή ην εηδηθφ πεξηερφµελν ελέξγεηαο ηνπ πδξνγφλνπ απμάλεηαη θαηά πεξίπνπ επηά θνξέο ζε ζρέζε µε ην πεξηερφµελν ελέξγεηαο ηνπ πδξνγφλνπ απνζεθεπµέλνπ ζε πίεζε 700bar. ηελ πεξίπησζε ηνπ θξπνγνληθψο απνζεθεπµέλνπ πδξνγφλνπ ην εηδηθφ βάξνο ηεο δεμαµελήο είλαη

19 πεξίπνπ 7kg αλά 1kg πδξνγφλνπ θαη ν εηδηθφο φγθνο ηεο είλαη 36lt αλά kg πγξνπνηεµέλνπ πδξνγφλνπ. Εληνχηνηο, ε δηαδηθαζία πγξνπνίεζεο ηνπ πδξνγφλνπ απαηηεί µεγάια πνζά ελέξγεηαο πνπ µπνξεί λα θηάζνπλ αθφµε θαη ην 40% ηεο ελέξγεηαο ηνπ πδξνγφλνπ πνπ απνζεθεχεηαη. Πέξαλ απηνχ έλα αθφµε πξφβιεµα είλαη ε αηµνπνίεζε ηνπ πεξηερνµέλνπ πδξνγφλνπ (πεξίπνπ 2% αλά εµέξα) πνπ αθ ελφο ππαγνξεχεη ηελ θαηά ην δπλαηφλ ηέιεηα ζεξµηθή µφλσζε ηεο δεμαµελήο θαη αθ εηέξνπ απαγνξεχεη ηελ απνζήθεπζε ηνπ θαπζίµνπ γηα µαθξέο ρξνληθέο πεξηφδνπο Απνζήθεπζε ηνπ πδξνγόλνπ ζε πδξίδηα µεηάιισλ Τδξίδην ζηελ νπζία απνθαιείηαη ε έλσζε θάζε ζηνηρείνπ µε ην πδξνγφλν. Μεγάινο αξηζµφο µεηάιισλ θαη µεηαιιηθψλ θξαµάησλ ελψλνληαη µε ην πδξνγφλν θαη ζρεµαηίδνπλ πδξίδηα µεηάιισλ. Καηά ηηο ελψζεηο απηέο, αέξην πδξνγφλν ζε µεγάιεο πνζφηεηεο έξρεηαη ζε επαθή µε ηελ επηθάλεηα ηνπ µεηάιινπ (ή ηνπ µεηαιιηθνχ θξάµαηνο), ζπρλά παξνπζία θαηαιχηε, θαη ηα άηνµα ηνπ πδξνγφλνπ δηαρένληαη ζην εζσηεξηθφ ηνπ µεηάιινπ, εηζρσξνχλ ζην µεηαιιηθφ θξπζηαιιηθφ πιέγµα θαη θαηαιαµβάλνπλ ζέζεηο αλάµεζα ζηα µεηαιιηθά άηνµα. Η αληίδξαζε απηή ηνπ πδξνγφλνπ µε ηα µέηαιια είλαη µία εμψζεξµε αληίδξαζε θαη είλαη απνιχησο αλαζηξέςηµε. Με άιια ιφγηα, ζεξµηθή ελέξγεηα απαηηείηαη γηα ηελ απνδέζµεπζε ησλ αηφµσλ πδξνγφλνπ απφ ην µεηαιιηθφ πιέγµα θαη απηή πξαθηηθά παξέρεηαη απφ ηελ ζεξµφηεηα ησλ θαπζαεξίσλ ηνπ θηλεηήξα πδξνγφλνπ πνπ ζε θάπνηεο πεξηπηψζεηο αλεβάδνπλ ηελ ζεξµνθξαζία ησλ πδξηδίσλ ζηνπο 600K. Ο ξπζµφο απνξξφθεζεο ηνπ πδξνγφλνπ απφ ην µέηαιιν εμαξηάηαη απφ ηηο ζπλζήθεο πίεζεο θαη ζεξµνθξαζίαο, ππφ ηηο νπνίεο ην αέξην πδξνγφλν έξρεηαη ζε επαθή µε ηελ επηθάλεηα ηνπ µεηάιινπ µε ηηο ζπλζήθεο απηέο λα δξνπλ αληίζηξνθα. χµθσλα µε ηα παξαπάλσ, µείσζε ηεο ζεξµνθξαζίαο θαη αχμεζε ηεο πίεζεο επηηαρχλεη ηνλ ζρεµαηηζµφ ηνπ πδξηδίνπ. Άιινη παξάγνληεο πνπ επεξεάδνπλ ηελ ηαρχηεηα ηεο δηαδηθαζίαο είλαη: Η δνµή ηνπ µεηάιινπ, θαζψο ε εμέιημε ηεο λαλνηερλνινγίαο επηηξέπεη ηε ρξήζελαλνθξπζηαιιηθψλ πδξηδίσλ, ζηα νπνία ην µέγεζνο ησλ δνµηθψλ ηνπο ιίζσλ ζηελ θιίµαθα ηνπ λαλνµέηξνπ επηηαρχλεη ηελ θηλεηηθή ηεο απνξξφθεζεο ηνπ πδξνγφλνπ απφ απηά. Η θαζαξφηεηα ηεο επηθαλείαο ηνπ µεηάιινπ θαζψο ν ζρεµαηηζµφο νμεηδίσλ ή άιισλ πξνζµίμεσλ ζε απηή, δπζρεξαίλεη ηε δηαδηθαζία απνξξφθεζεο. Η παξνπζία θαηαιχηε θαζψο νη αληηδξάζεηο ηνπ πδξνγφλνπ είλαη αξθεηά επαίζζεηεο ζηελ θαηάιπζε ε νπνία επηδξά επηηαρπληηθά ζηελ θηλεηηθή ησλ αληηδξάζεσλ.

20 Η ηαρχηαηε θαη αλεµπφδηζηε µεηαθνξά ζεξµφηεηαο απφ ην πδξίδην ζην πεξηβάιινλ,θαηά ηνλ ζρεµαηηζµφ ηνπ, θαζψο ε νπνηαδήπνηε παξεµπφδηζε έθιπζεο ηεο ζεξµφηεηαο επηβξαδχλεη ηελ δηαδηθαζία πξνζξφθεζεο. Μία απνηειεζµαηηθή θαη επηηπρήο δηαδηθαζία ζρεµαηηζµνχ ελφο πδξηδίνπ µεηάιινπ πξέπεη λα ραξαθηεξίδεηαη απφ ηα αθφινπζα γλσξίζµαηα: i. Τςειή ρσξεηηθφηεηα ζε πδξνγφλν. ii. Μεγάιε ηαρχηεηα απνξξφθεζεο θαη απνδέζµεπζεο ηνπ πδξνγφλνπ. iii. Καζαξφηεηα ζχζηαζεο ηνπ πδξνγφλνπ θαζψο αιινηψζεηο ζηε ζχζηαζή ηνπ µεηψλνπλ ηε ρσξεηηθφηεηα απνζήθεπζεο. iv. Πξαθηηθέο, θαηά ην δπλαηφλ, ζπλζήθεο πίεζεο θαη ζεξµνθξαζίαο γηα ηελ ελεξγνπνίεζε ησλ µεραληζµψλ απνξξφθεζεο θαη απνδέζµεπζεο. v. Ειάρηζηε αιινίσζε ηεο ζχζηαζεο ηνπ µεηάιινπ χζηεξα απφ ζπλερείο θχθινπο πδξνγφλσζεο αθπδξνγφλσζεο. Αλ θαη ηα πδξίδηα µεηάιινπ έρνπλ πξνηαζεί γηα ηελ απνζήθεπζε ηνπ πδξνγφλνπ ήδε απφ ην 1960, µφλν ηα ηειεπηαία ρξφληα αλαζεξµάλζεθε ην ελδηαθέξνλ ησλ επηζηεµφλσλ γηα ην ζπγθεθξηµέλν µέζν απνζήθεπζεο πδξνγφλνπ, γεγνλφο πνπ νθείιεηαη θαηά θχξην ιφγν ζηα βειηησµέλα ραξαθηεξηζηηθά ηνπο, ηα νπνία πξνθχπηνπλ απφ ηελ επίηεπμε ησλ δνµηθψλ ηνπο ιίζσλ ζε δηαζηάζεηο λαλνµέηξνπ Απνζήθεπζε ηνπ πδξνγόλνπ ζε λαλνζσιήλεο άλζξαθα Η απνζήθεπζε ηνπ πδξνγφλνπ µε ηε µνξθή αεξίνπ ζε θάπνην ζηεξεφ, φπσο νη λαλνζσιήλεο άλζξαθα (carbon nanotubes ή CNTs), είλαη µία αθφµα ππνζρφµελε θαη αζθαιήο µέζνδνο απνζήθεπζεο πςειήο ηερλνινγίαο θαη ηθαλνπνηεηηθήο, ζχµθσλα µε ηα πεηξαµαηηθά δεδνµέλα, απφδνζεο. Η ζπγθεθξηµέλε ηερλνινγία φµσο βξίζθεηαη αθφµε ζε εµβξπτθφ ζηάδην θαη ηα ηνπίν είλαη αθφµε ιίγν ζνιφ θαζψο ηα πεηξαµαηηθά δεδνµέλα δελ έρνπλ επαιεζεπηεί πιήξσο σο πξνο ηελ πξαθηηθή ηνπο εθαξµνγή. Οη λαλνζσιήλεο άλζξαθα είλαη νµφθεληξνη θχιηλδξνη γξαθίηε, λαλνθξπζηαιιηθήο δνµήο θαη δηαµέηξνπ 1-2µm, ζρεµαηηζµέλνη απφ µνξηαθήο θιίµαθαο θχιια γξαθίηε, θιεηζηνί ηνπιάρηζηνλ ζην έλα άθξν ηνπο µε πεληαµειείο δαθηπιίνπο θαη εθεπξέζεθαλ ην 1991 απφ ηνλ Θάπσλα Sumio Iijima. Οη λαλνζσιήλεο µπνξεί λα είλαη πνιπθινητθνί (multi-wall nanotubes ή MWNTs) µε έλα θεληξηθφ ζσιήλα λα πεξηβάιιεηαη απφ έλα ή πεξηζζφηεξα ζηξψµαηα γξαθίηε ή µνλνθινητθνί (single-wall nanotubes ή SWNTs) φπνπ απνηεινχληαη απφ έλα µφλν ζσιήλα ρσξίο επηπιένλ ζηξψµαηα γξαθίηε. ηαλ νη λαλνζσιήλεο νµαδνπνηνχληαη έρνπµε ηηο ιεγφµελεο ζπζηνηρίεο ή δέζµεο λαλνζσιήλσλ (nanotubes bundles).

21 Οη λαλνζσιήλεο άλζξαθα ζεσξνχληαη ηδαληθά πιηθά θαζψο ραξαθηεξίδνληαη απφ µηθξφ βάξνο, µεγάιε ρσξεηηθφηεηα θαη εμαηξεηηθή ζηαζεξφηεηα. Η µεγάιε θελφηεηα ρψξνπ, εηδηθά ζηνπο µνλνθινητθνχο λαλνζσιήλεο, παξέρεη ηε δπλαηφηεηα ρξεζηµνπνίεζήο ηνπο σο µέζν γηα ηελ απνξξφθεζε θαη ηελ απνζήθεπζε πδξνγφλνπ µε µεραληζµνχο πνπ δελ έρνπλ αθφµα πιήξσο θαηαλνεζεί. (a). (b). (c). Δηθόλα 2.2: (a). µνλνθιντηθφο λαλνζσιήλαο, (b). πνιπθιντηθφο λαλνζσιήλαο, (c). πζηνηρία λαλνζσιήλσλ. Σν πδξνγφλν µπνξεί λα απνζεθεπηεί ζε ζπζηνηρίεο µνλνθινητθψλ λαλνζσιήλσλ, µε ηε µνξθή αηνµηθνχ ή µνξηαθνχ πδξνγφλνπ, ζε πνζνζηφ 5-10% θαηά βάξνο. Πεηξαµαηηθά µνληέια, εμάιινπ, πξνβιέπνπλ φηη ε ρσξεηηθφηεηα ησλ λαλνζσιήλσλ ζε πδξνγφλν µπνξεί λα ππεξβεί θαηά βάξνο ην 14% (160kgH 2 /m 3 ). Τπάξρνπλ δχν ηξφπνη απνζήθεπζεο ηνπ πδξνγφλνπ ζηελ δνµή ησλ λαλνζσιήλσλ. Ο πξψηνο είλαη ε απνζήθεπζε ππφ πίεζε 71 82,4bar, θιίµαθα πηέζεσλ ζεµαληηθά µηθξφηεξε ζε ζρέζε µε ηηο απαηηνχµελεο πηέζεηο άιισλ µεζφδσλ φπσο ε ζπµπίεζε αεξίνπ πδξνγφλνπ. Ο δεχηεξνο ηξφπνο είλαη ε ειεθηξνρεµηθή µέζνδνο θπθιηθήο θφξηηζεο θαη εθθφξηηζεο. Σν πδξνγφλν απνζεθεχεηαη ζηελ εζσηεξηθή θαη ζηελ εμσηεξηθή επηθάλεηα ησλ µνλνθινητθψλ λαλνζσιήλσλ θαζψο θαη ζηνλ θελφ ρψξν ηνπ εζσηεξηθνχ ηνπο.η ρσξεηηθφηεηα ησλ µνλνθινητθψλ λαλνζσιήλσλ απμάλεηαη µε ηελ αχμεζε ηεο δηαµέηξνπ ηνπο, ηδηφηεηα πνπ δελ ηζρχεη ζηελ πεξίπησζε ησλ πνιπθινητθψλ λαλνζσιήλσλ. Σέινο, νη µνλνθινητθνί λαλνζσιήλεο άλζξαθα παξέρνπλ ηε δπλαηφηεηα απνξξφθεζεο µεγαιχηεξσλ πνζνηήησλ πδξνγφλνπ απφ φηη νη πνιπθινητθνί.

22 2.6. ΥΡΖΔΗ ΣΟΤ Τ ΡΟΓΟΝΟΤ Η θπξηφηεξε ρξήζε ηνπ πδξνγφλνπ είλαη γηα ηελ παξαγσγή αµµσλίαο (NH 3 ). Η αµµσλία είλαη δπλαηφλ λα παξαζθεπαζηεί µε ηε µέζνδν Haber, θαηά ηελ νπνία ην πδξνγφλν θαη ην άδσην αληηδξνχλ µεηαμχ ηνπο παξνπζία θαηαιπηψλ ππφ πίεζε 1000atm θαη ζεξµνθξαζία 500 C ζχµθσλα µε ηελ αληίδξαζε: 3H 2 + N 2 2NH 3 Μεγάια πνζά πδξνγφλνπ, εμάιινπ, ρξεζηµνπνηνχληαη γηα ηελ παξαζθεπή µεζπιηθήο αιθνφιεο ζχµθσλα µε ηελ αληίδξαζε: 2H 2 + CO CH 3 OH ε νπνία πξαγµαηνπνηείηαη παξνπζία νξηζµέλσλ µηθηψλ θαηαιπηψλ, πνπ πεξηέρνπλ νμείδηα ηνπ ςεπδαξγχξνπ θαη ηνπ ρξσµίνπ ζε ζεξµνθξαζίεο µεηαμχ 300 θαη 375 C θαη πηέζεηο µεηαμχ 275 θαη 350atm. Μία άιιε ζεµαληηθή εθαξµνγή ηνπ πδξνγφλνπ αθνξά ηελ θαηαιπηηθή πδξνγφλσζε νξγαληθψλ ελψζεσλ. Σα αθφξεζηα θπηηθά θαη δσηθά ιίπε θαη έιαηα είλαη δπλαηφλ λα ππνβιεζνχλ ζε πδξνγφλσζε γηα ηελ παξαγσγή µαξγαξίλεο, θ.ιπ.. Σν πδξνγφλν ρξεζηµνπνηείηαη επίζεο γηα ηελ αλαγσγή ησλ αιδευδψλ θαη ησλ θεηνλψλ, φπσο επίζεο θαη ησλ ιηπαξψλ νμέσλ θαη ησλ εζηέξσλ ηνπο ζηηο αληίζηνηρεο αιθνφιεο. Οη αξσµαηηθέο ελψζεηο είλαη επίζεο δπλαηφλ λα αλαρζνχλ ζηηο αληίζηνηρεο αιεηθπθιηθέο ελψζεηο, φπσο ζπµβαίλεη, π.ρ. θαηά ηε µεηαηξνπή ηνπ βελδνιίνπ ζε θπθινεμάλην θαη ηεο θαηλφιεο ζε θπθινεμαλφιε. Οη ληηξνελψζεηο αλάγνληαη εχθνια µε ηε βνήζεηα ηνπ πδξνγφλνπ ζε αµίλεο. Σν πδξνγφλν έρεη επίζεο ρξεζηµνπνηεζεί σο θχξην θαχζηµν ππξαχισλ, αλαµεµηγµέλν µ έλα θαηάιιειν νμεηδσηηθφ µέζνλ, φπσο είλαη ην νμπγφλν ή ην θζφξην,θαη σο πξνσζεηηθφ ππξελνθίλεησλ ππξαχισλ θαη δηαζηεµηθψλ ζθαθψλ. Μηα άιιε ελδηαθέξνπζα ρξήζε ηνπ πδξνγφλνπ αλαθέξεηαη ζηελ άµεζε αλαγσγή ησλ ζηδεξνµεηαιιεπµάησλ ζε µεηαιιηθφ ζίδεξν θαη ησλ νμεηδίσλ ηνπ βνιθξαµίνπ θαη ηνπ µνιπβδαηλίνπ ζηα αληίζηνηρα µέηαιια. Πινχζηεο ζε πδξνγφλν (αλαγσγηθέο) αηµφζθαηξεο ρξεζηµνπνηνχληαη θαηά ηελ παξαγσγή ηνπ µαγλεζίνπ, ηε δηαδηθαζία ηεο αλφπηεζεο ησλ µεηάιισλ θαη ηελ ςχμε ησλ µεγάισλ ειεθηξνθηλεηήξσλ. Σν πδξνγφλν ρξεζηµνπνηήζεθε παιηφηεξα γηα ηελ πιήξσζε ησλ αεξνζηάησλ, έρνληαο ζήµεξα αληηθαηαζηαζεί γηα ηνλ ζθνπφ απηφ απφ ην ήιην ην νπνίν είλαη άθαπζην. Εληνχηνηο ηα αεξνπνξηθά αεξφζηαηα, πνπ ρξεζηµνπνηήζεθαλ ζηελ Αγγιία θαηά ηε δηάξθεηα ηνπ Β' Παγθνζµίνπ Πνιέµνπ,

23 είραλ πιεξσζεί απφ πδξνγφλν. Επίζεο ην πγξφ πδξνγφλν ρξεζηµνπνηείηαη ζην εξγαζηήξην γηα ηελ παξαγσγή ραµειψλ ζεξµνθξαζηψλ. ΚΔΦΑΛΑΗΟ 3 Ζ ΜΖΥΑΝΖ ΔΩΣΔΡΗΚΖ ΚΑΤΖ 3.1. Δηζαγσγή Η µεραλή εζσηεξηθήο θαχζεο είλαη µία ζεξµηθή µεραλή ζηελ νπνία ην εξγαδφµελν µέζν γηα ηελ παξαγσγή µεραληθήο ηζρχνο απνηειείηαη απφ ηα ίδηα ηα

24 θαπζαέξηα, ηα πξντφληα δειαδή ηεο θαχζεο ηνπ αέξα µε ην θαχζηµν. ηηο ΜΕΚ αλήθνπλ νη εµβνινθφξνη θηλεηήξεο, νη αεξηνζηξφβηινη,νη ζηξνβηιναληηδξαζηήξεο, νη ζηαηνί ζεξµναληηδξαζηήξεο θαη νη ππξαπινθηλεηήξεο. Η πην θνηλή εθαξµνγή ησλ ΜΕΚ είλαη ν εµβνινθφξνο θηλεηήξαο πνπ ρξεζηµνπνηείηαη ζρεδφλ θαη απνθιεηζηηθφηεηα ζηηο µεηαθνξέο (απηνθίλεηα, βαξέα νρήµαηα, πινία, ηξέλα θαη αεξνπιάλα µηθξήο ηαρχηεηαο). Μφλε εμαίξεζε απνηεινχλ ηα µέζεο θαη πςειήο ηαρχηεηαο αεξνζθάθε, ζηα νπνία ε επηινγή ησλ ζηξνβηιναληηδξαζηήξσλ επηβάιιεηαη απφ ηελ απαίηεζε γηα πςειή ζπγθέληξσζε ηζρχνο. Ο εµβνινθφξνο θηλεηήξαο, έρεη θαζηεξσζεί ζηηο µεηαθνξέο δηφηη ζπλδπάδεη ηελ απιντθφηεηα ηεο θαηαζθεπήο, ηνλ θαιφ νιηθφ βαζµφ απφδνζεο θαη ηελ πςειή ζπγθέληξσζε ηζρχνο.οη εµβνινθφξνη θηλεηήξεο θαηαηάζζνληαη ζε δηάθνξεο θαηεγνξίεο ζχµθσλα µε ηηο αξρέο ιεηηνπξγίαο ηνπο, ηνλ ηξφπν αλάθιεμεο ηνπ µίγµαηνο ή ηελ θαηαζθεπαζηηθή ηνπο δηαµφξθσζε. Έηζη γηα παξάδεηγµα, δηαθξίλνληαη ζε δίρξνλνπο ή ηεηξάρξνλνπο, ζχµθσλα µε ηελ εμσηεξηθή ηνπο ιεηηνπξγία, ζε θηλεηήξεο Otto ή Diesel, ζχµθσλα µε ηελ εζσηεξηθή ηνπο ιεηηνπξγία, θαη ζε παιηλδξνµηθνχο ή πεξηζηξνθηθνχο θηλεηήξεο, ζχµθσλα µε ηελ θίλεζε ηνπ εµβφινπ ηνπο. Κνηλφ ραξαθηεξηζηηθφ φισλ ησλ ΜΕΚ, πάλησο, απνηεινχλ νη βαζηθέο θάζεηο ιεηηνπξγίαο δειαδή ε ζπµπίεζε, ε θαχζε θαη ε εθηφλσζε θαζψο θαη νη θάζεηο ελαιιαγήο ησλ αεξίσλ δειαδή ηεο εθθέλσζεο ηνπ θπιίλδξνπ απφ ηα θαπζαέξηα θαηά ην ηέινο ηνπ θχθινπ ιεηηνπξγίαο θαη ηεο εθ λένπ πιήξσζήο ηνπ µε λέα γφµσζε γηα ηελ εθηέιεζε λένπ θχθινπ. Η ζε βάζνο αλάιπζε ηνπ θάζε ηχπνπ θηλεηήξα είλαη πέξα απφ ηνπο ζθνπνχο ηνπ παξφληνο ζπγγξάµµαηνο θαη µφλν επηγξαµµαηηθά αλαθέξνληαη παξαθάησ νη βαζηθέο αξρέο ιεηηνπξγίαο θαη ηα θχξηα ραξαθηεξηζηηθά γλσξίζµαηα ηνπ θάζε ηχπνπ θηλεηήξα, γηα ιφγνπο πιεξφηεηαο ηνπ παξφληνο Σεηξάρξνλνο θηλεηήξαο (4-X) Η ζπγθξφηεζε ησλ εµβνινθφξσλ παιηλδξνµηθψλ θηλεηήξσλ βαζίδεηαη ζηνλ θηλεµαηηθφ µεραληζµφ Εµβφινπ- ησζηήξα-ηξνθάινπ φπνπ ην έµβνιν παιηλδξνµεί µέζα ζηνλ θχιηλδξν θαη µεηαθέξεη ηελ ηζρχ ζηελ ζηξνθαινθφξν άηξαθην δηαµέζνπ ηνπ δησζηήξα. ηνπο εµβνινθφξνπο παιηλδξνµηθνχο θηλεηήξεο, ην έµβνιν αλαγθαίσο αθηλεηεί ζε δχν νξηζµέλεο ζέζεηο ηεο ζηξνθαινθφξνπ αηξάθηνπ, πξνηνχ επέιζεη αλαζηξνθή ηεο θίλεζήο ηνπ. Απηέο νη ζέζεηο θαινχληαη άλσ λεθξφ ζεµείν (ΑΝ) θαη θάησ λεθξφ ζεµείν (ΚΝ). Η απφζηαζε πνπ δηαλχεη ην έµβνιν γηα λα βξεζεί απφ ην έλα λεθξφ ζεµείν ζην άιιν

25 θαιείηαη δηαδξνµή ή «ρξφλνο» θαη αληηζηνηρεί ζε µηζή ζηξνθή ή 180 ηεο ζηξνθαινθφξνπ αηξάθηνπ. ηνπο ηεηξάρξνλνπο θηλεηήξεο έλαο θχθινο ιεηηνπξγίαο δηαξθεί δχν πιήξεηο πεξηζηξνθέο ηεο ζηξνθαινθφξνπ αηξάθηνπ ή 720 γσλίαο ζηξνθάινπ δειαδή πεξηιαµβάλεη 4 πιήξεηο δηαδξνµέο εµβφινπ ή 4 «ρξφλνπο». Οη ηέζζεξηο ρξφλνη πνπ ραξαθηεξίδνπλ ηνπο ηεηξάρξνλνπο θηλεηήξεο Otto, είλαη ν ρξφλνο ηεο αλαξξφθεζεο θαηά ηνλ νπνίν ν θχιηλδξνο πιεξψλεηαη µε λέν θαχζηµν µίγµα, ν ρξφλνο ηεο ζπµπίεζεο θαηά ηνλ νπνίν ην µίγµα ζπµπηέδεηαη µέρξη ην ΑΝ, ν ρξφλνο ηεο θαχζεο θαη απνηφλσζεο θαηά ηνλ νπνίν ην µίγµα αλαθιέγεηαη απφ ηελ ειεθηξηθή εθθέλσζε ηνπ ζπηλζεξηζηή θαη εθηνλψλεηαη πξνζδίδνληαο ζην έµβνιν γξαµµηθή ηαρχηεηα ε νπνία µεηαηξέπεηαη ζε γσληαθή ζηελ ζηξνθαινθφξν άηξαθην, θαη ηέινο ν ρξφλνο ηεο εμαγσγήο θαηά ηνλ νπνίν ν θχιηλδξνο εθθελψλεηαη απφ ηα πξντφληα ηεο θαχζεο. ηνπο ηεηξάρξνλνπο θηλεηήξεο Diesel, µφλν αηµνζθαηξηθφο αέξαο ζπµπηέδεηαη θαηά ηελ θάζε ηεο ζπµπίεζεο ελψ ην θαχζηµν εγρχεηαη ιίγν πξηλ ην ΑΝ. Η πιήξσζε θαη ε θέλσζε ηνπ ζαιάµνπ θαχζεο θαζψο θαη ε έλαξμε ηεο θαχζεο ξπζµίδνληαη απφ εηδηθά φξγαλα δηαλνµήο ηα νπνία εμαλαγθάδνληαη ζε θίλεζε απφ ηνλ εθθεληξνθφξν άμνλα ν νπνίνο θηλείηαη απφ ηε ζηξνθαινθφξν άηξαθην µε ην µηζφ ηεο ηαρχηεηάο ηεο µε ηε βνήζεηα ηµάληα ή αιπζίδαο. Οη ηεηξάρξνλνη θηλεηήξεο απνηεινχλ ηελ θπξίαξρε επηινγή παγθνζµίσο, ράξε ζηελ απιφηεηα ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπο, ηελ αμηνπηζηία ηνπο θαη ηνλ θαιφ βαζµφ απφδνζήοηνπο ίρξνλνο θηλεηήξαο (2-Υ) Η εηδνπνηφο δηαθνξά ησλ δίρξνλσλ θηλεηήξσλ απφ ηνπο ηεηξάρξνλνπο είλαη φηη έλαο θχθινο ιεηηνπξγίαο νινθιεξψλεηαη ζε µία µφλν πεξηζηξνθή ηεο ζηξνθαινθφξνπ αηξάθηνπ ή 360 γσλίαο ζηξνθάινπ. Με άιια ιφγηα, µία πεξίνδνο ιεηηνπξγίαο πεξηιαµβάλεη δχν δηαδξνµέο ηνπ εµβφινπ ή δχν «ρξφλνπο» εθ ησλ νπνίσλ µφλν ην ήµηζπ δηαηίζεηαη γηα ηελ ελαιιαγή ησλ αεξίσλ. πλήζσο, ε πιήξσζε θαη ε εθθέλσζε ηνπ θπιίλδξνπ ξπζµίδεηαη απφ ηελ άλσ αθµή ηνπ εµβφινπ ε νπνία θαηά ηελ παιηλδξνµηθή θίλεζή ηεο απνθαιχπηεη ή θαιχπηεη δηαδνρηθά ζρεηηθέο ζπξίδεο ηνπνζεηεµέλεο ζηελ παξάπιεπξε επηθάλεηα ηνπ θπιίλδξνπ. Έηζη ε ελαιιαγή ησλ αεξίσλ δηεμάγεηαη πάληνηε ππφ δπζµελείο ζπλζήθεο πνπ θαζηζηνχλ απαξαίηεηε ηε βίαηε πιήξσζε ηνπ θπιίλδξνπ µε ηε βνήζεηα εηδηθήο αληιίαο απνπιχζεσο ή ζαξψζεσο πνπ απνξξνθά πνιχηηµν έξγν απφ ηε ζηξνθαινθφξν άηξαθην. ηελ πεξίπησζε ηνπ δίρξνλνπ θηλεηήξα, πνπ νη βαιβίδεο εηζαγσγήο θαη εμαγσγήο απνπζηάδνπλ, ν εθθεληξνθφξνο άμνλαο εμππεξεηεί µφλν ηνλ ρξνληζµφ θαη ηελ έλαπζε ηνπ ςεθαζµνχ θαη ηεο θαχζεο, ελψ πεξηζηξέθεηαη µε ηελ ίδηα γσληαθή ηαρχηεηα µε ηελ ζηξνθαινθφξν άηξαθην. Οη δίρξνλνη θηλεηήξεο ρξεζηµνπνηνχληαη γηα πνιιά ρξφληα ζε µνηνζηθιέηεο θαη µνηνπνδήιαηα, θνπξεπηηθέο µεραλέο γθαδφλ, εμσιέµβηεο µεραλέο θαη µηθξέο βηνµεραληθέο εθαξµνγέο, θαζψο ζπλδπάδνπλ ηελ απιφηεηα ηνπ µεραληζµνχ

26 ιεηηνπξγίαο, ηελ επθνιία θαηαζθεπήο,ηε κεγάιε απφδνζε, ην µηθξφ βάξνο θαη ηελ νηθνλνµηθά ζπµθέξνπζα µαδηθή παξαγσγή. Εληνχηνηο, είλαη ζρεηηθά ζνξπβψδεηο µε πςειή θαηαλάισζε θαπζίµνπ θαη αληίζηνηρα πςειέο εθπνµπέο θαπζαεξίσλ ελψ ε αλάµημε ηνπ ειαίνπ ιίπαλζεο µε ην θαχζηµν πξνζδίδεη µία δπζάξεζηε νζµή ζηα θαπζαέξηα ηνπ θηλεηήξα. Επηπιένλ, παξνπζηάδνπλ µεησµέλε αμηνπηζηία θαη δηάξθεηα δσήο ζε ζρέζε µε ηνπο ηεηξάρξνλνπο θηλεηήξεο. Η πςειφηεξε θαηαλάισζε θαη νη πςειφηεξεο εθπνµπέο ξχπσλ έρνπλ ηε ξίδα ηνπο ζηηο αξρέο ιεηηνπξγίαο ηνπ δίρξνλνπ θηλεηήξα, ζηνλ νπνίν ν ρξφλνο ηεο εμαγσγήο, µε ηνλ ρξφλν ηεο εηζαγσγήο επηθαιχπηνληαη ρξνληθά µε ζπλέπεηα µέξνο ηνπ εηζαγφµελνπ άθαπζηνπ µίγµαηνο λα ειεπζεξψλεηαη ζηελ εμαγσγή µαδί µε ηα θαπζαέξηα Κηλεηήξαο Otto (βελδίλεο) πσο αλαθέξζεθε ζηελ εηζαγσγή ηνπ θεθαιαίνπ, νη µεραλέο εζσηεξηθήο θαχζεο δηαθξίλνληαη ζε θηλεηήξεο Otto θαη ζε θηλεηήξεο Diesel, βάζεη ηεο εζσηεξηθήο ηνπο ιεηηνπξγίαο, ηνπ ηξφπνπ δειαδή µε ηνλ νπνίν πξνθαιείηαη ε αλάθιεμε (έλαπζε) ηνπ θαπζίµνπ ην νπνίν µπνξεί λα είλαη πγξφ ή αέξην. Οη θηλεηήξεο Diesel ζα εμεηαζηνχλ ζε επφµελε παξάγξαθν. ηνπο θηλεηήξεο Otto ή θαχζεο ή έλαπζεο µε ζπηλζήξα (spark ignition) ππάξρεη πάληνηε αλάθιεμε µε ηε βνήζεηα θάπνηνπ εμσηεξηθνχ µέζνπ ζπλεζέζηαηα ελφο ειεθηξηθνχ ζπηλζήξα. Οη θηλεηήξεο Otto, αλάινγα µε ην ρξεζηµνπνηνχµελν θαχζηµν δηαθξίλνληαη ζε βελδηλνµεραλέο θαη αεξηνµεραλέο. Οη αεξηνµεραλέο ρξεζηµνπνηνχλ ζαλ θαχζηµν θπζηθά ή ηερλεηά αέξηα (φπσο π.ρ. θπζηθφ αέξην, πγξαέξην, θσηαέξην θ.ιπ.). Οη βελδηλνµεραλέο ρξεζηµνπνηνχλ ζαλ θαχζηµν θαη εμνρήλ βελδίλε αιιά θαη γεληθφηεξα ειαθξά πγξά θαχζηµα µεγάιεο πηεηηθφηεηαο (φπσο π.ρ. µεζαλφιε, αηζαλφιε, θ.ιπ.). Πάλησο ζήµεξα ην ζπληξηπηηθά µεγαιχηεξν πνζνζηφ ησλ απηνθηλήησλ µε θηλεηήξεο Otto, ρξεζηµνπνηνχλ σο θαχζηµν ηελ βελδίλε.τπάξρνπλ δηάθνξνη ηξφπνη ζρεµαηηζµνχ ηνπ µείγµαηνο αέξα-θαπζίµνπ. Ο παιαηφηεξνο ηξφπνο, ν νπνίνο ρξεζηµνπνηείηαη αθφµα ζε πνιιέο πεξηπηψζεηο (π.ρ. µνηνζηθιέηεο θαη µνηνπνδήιαηα), είλαη απηφο ηνπ εμαεξησηή (ή θαξµππξαηέξ). ηνλ εμαεξησηή ζρεµαηίδεηαη θαη πξνεηνηµάδεηαη ην θαχζηµν µείγµα ην νπνίν έρεη αλαξξνθεζεί απφ ηε µεραλή µε θπζηθέο µεζφδνπο θαη εηδηθέο ηερληθέο. Πην ζχγρξνλα ζπζηήµαηα ζρεµαηηζµνχ ηνπ µείγµαηνο πεξηιαµβάλνπλ µεζφδνπο φπσο ηελ ειεθηξνληθή έγρπζε µνλνχ ζεµείνπ ή πνιιαπιψλ ζεµείσλ (ζπζηήµαηα εµµέζνπ εγρχζεσο) θαη ηελ άµεζε έγρπζε. Σα ζπζηήµαηα απηά νλνµάδνληαη θαη ζπζηήµαηα δηαθνπηφµελεο εγρχζεσο ζε αληηδηαζηνιή µε ηα παιαηφηεξα ζπζηήµαηα ζπλερνχο εγρχζεσο θαηά ηε ιεηηνπξγία ησλ νπνίσλ ε βελδίλε ςεθαδφηαλ αδηάθνπα ζε φινπο ηνπο θπιίλδξνπο. Καηά ηηο µεζφδνπο απηέο,

27 δηαθνπηφµελεο θαη ζπλερνχο εγρχζεσο δειαδή, επηηπγράλεηαη ειεθηξνληθή έγρπζε ηεο βελδίλεο µε ηε βνήζεηα ζπγθξνηήµαηνο αληιίαο θαπζίµνπ- εγρπηήξα. Η ξχζµηζε ηεο ηζρχνο ηνπ θηλεηήξα Otto είλαη βαζηθά πνζνηηθή, δειαδή ε απμνµείσζε ην έξγνπ θαη ηεο ηζρχνο επηηπγράλεηαη µεηαβάιινληαο ηελ πνζφηεηα ηνπ µείγµαηνο πνπ εηζέξρεηαη ζηνλ θχιηλδξν. Η µεηαβιεηφηεηα ηεο πνζφηεηαο ηνπ µείγµαηνο ξπζµίδεηαη µε ηε βνήζεηα ζηξαγγαιηζηηθήο δηθιείδαο («πεηαινχδα»), ε νπνία βξίζθεηαη ζηε δηαδξνµή ηνπ µείγµαηνο πξνο ηνλ θχιηλδξν θαη ε πεξηζηξνθή ηεο νπνίαο ξπζµίδεη ηελ ππνπίεζε θαηά ηελ είζνδν ζηνπο θπιίλδξνπο. Σαπηφρξνλα, ε πνηφηεηα ηνπ µείγµαηνο, δειαδή ν ιφγνο µαδψλ αέξαθαπζίµνπ, παξαµέλεη νπζησδψο ζηαζεξφο µε εμαίξεζε ηηο πεξηπηψζεηο θξχαο εθθίλεζεο, άθνξηεο ιεηηνπξγίαο θαη ξαγδαίαο επηηάρπλζεο φπνπ γίλεηαη απηφµαηε ξχζµηζε πινπζηφηεξνπ ή θησρφηεξνπ µίγµαηνο έλαληη ηεο ζηνηρεηνµεηξηθήο αλαινγίαο. Πξέπεη ζην ζεµείν απηφ λα επηζεµάλνπµε φηη ε ζηνηρεηνµεηξηθή αλαινγία αέξαβελδίλεο είλαη πεξίπνπ 14,7:1 δειαδή απαηηνχληαη 14,7 µέξε αέξα γηα ηελ πιήξε θαχζε ελφο µέξνπο βελδίλεο. Απ ηελ άιιε µεξηά, ε θαχζε πνιχ πησρψλ µεηγµάησλ, ε θαχζε δειαδή µε πεξίζζεηα αέξα, έρεη σο ζεηηθή ζπλέπεηα ηε βειηίσζε ηνπ βαζµνχ απφδνζεο θαη ηε µείσζε ησλ εθπεµπφµελσλ ξππνγφλσλ αεξίσλ. Οη θηλεηήξεο Otto πησρνχ µείγµαηνο, φπσο γηα παξάδεηγµα ν θηλεηήξαο ηνπ May, επηηξέπνπλ ηελ θαχζε πνιχ πησρψλ µεηγµάησλ, µε ιφγν αέξα-θαπζίµνπ µέρξη θαη 50:1, πξάγµα πνπ επηηπγράλεηαη µε αχμεζε ηνπ επηπέδνπ ηεο ηχξβεο (swirl) ηεο γνµψζεσο θαη πην ζπγθεληξσηηθφ ζάιαµν γχξσ απφ ηε βαιβίδα εμαγσγήο. Οη δχν απηέο ζρεδηαζηηθέο παξάµεηξνη µεηψλνπλ ηνλ θίλδπλν εµθάληζεο θξνπζηηθήο θαχζεο θαη επηηξέπνπλ έηζη ηε ρξήζε πςειψλ βαζµψλ ζπµπίεζεο, γεγνλφο επεξγεηηθφ γηα ηελ απφδνζε ηεο µεραλήο θαη ηελ νηθνλνµία ηνπ θαπζίµνπ. Ο θηλεηήξαο ηνπ May γηα παξάδεηγµα, µε βαζµφ ζπµπίεζεο 14,5:1 επηηχγραλε αχμεζε ηνπ βαζµνχ απφδνζεο θαηά 15% ζε πιήξεο θνξηίν θαη αθφµε µεγαιχηεξε ζηα µεξηθά. Πάλησο, ε πηνζέηεζε ζπζηεµάησλ θαηάιπζεο ησλ πξντφλησλ ηεο θαχζεο ζηνπο ζχγρξνλνπο θηλεηήξεο βελδίλεο, µε ζηφρν ηελ µείσζε ησλ ξππαληψλ, ππαγνξεχεη ηελ θαχζε µεηγµάησλ ζε ζηνηρεηνµεηξηθή αλαινγία, ζπλζήθε αλαγθαία γηα ηελ απνδνηηθή ιεηηνπξγία ηνπ ηξηνδηθνχ θαηαιχηε Κηλεηήξαο Diesel (πεηξειαίνπ) ηνπο θηλεηήξεο Diesel, πνπ πήξαλ ην φλνµά ηνπο απφ ηνλ εθεπξέηε ηνπο Rudolf Diesel, ή θαχζεο ή έλαπζεο µε ζπµπίεζε (compression ignition), φπσο αιιηψο ιέγνληαη, ππάξρεη πάληνηε απηαλάθιεμε ηνπ µίγµαηνο ιφγσ ηεο ρξνληθά θαηάιιειεο εηζαγσγήο ηνπ θαπζίµνπ ζηνλ θχιηλδξν ηε ζηηγµή θαηά ηελ νπνία ην

28 πεξηερφµελφ ηνπ έρεη ήδε ζεξµαλζεί ζε επαξθψο πςειή ζεξµνθξαζία ιφγσ ηεο πξνεγνχµελεο ζρεηηθά ηζρπξήο ζπµπίεζεο. ηνπο θηλεηήξεο Diesel, ρξεζηµνπνηνχληαη µεγαιχηεξνη βαζµνί ζπµπίεζεο ζε ζρέζε µε ηνπο θηλεηήξεο Otto, ελψ επηηπγράλνληαη θαη µεγαιχηεξνη βαζµνί απφδνζεο. Ο θηλεηήξαο Diesel, θαινχµελνο θαη πεηξειαηνµεραλή, αλαξξνθά αηµνζθαηξηθφ αέξα θαη ρξεζηµνπνηεί σο θαχζηµα ηα βαξχηεξα ηεο βελδίλεο πγξά θαχζηµα ηεο θαηεγνξίαο ησλ πεηξειαηνεηδψλ, ηα νπνία είλαη ιηγφηεξν πηεηηθά θαη θζελφηεξα. Γηα ην ζρεµαηηζµφ ηνπ θαπζίµνπ µείγµαηνο, ην πεηξέιαην εγρχεηαη ζηνλ θχιηλδξν πξνο ην ηέινο ηεο δηαδξνµήο ζπµπίεζεο, ιίγν πξηλ ην ΑΝ, θαη δηαζθνξπίδεηαη ζηε µάδα ηνπ ήδε ζπµπηεζµέλνπ αέξα. πσο είλαη γλσζηφ, ε ζεξµνθξαζία ελφο ζπµπηεδφµελνπ ξεπζηνχ (αηµνζθαηξηθφο αέξαο) απμάλεηαη θαηά ηε ζπµπίεζή ηνπ. Έηζη, φηαλ ην θαχζηµν ςεθάδεηαη ζην ζάιαµν θαχζεο ελφο θηλεηήξα Diesel, ε ζεξµνθξαζία εληφο ηνπ ζαιάµνπ είλαη πςειή θαη µεγαιχηεξε ηεο ζεξµνθξαζίαο απηαλάθιεμεο ηνπ θαπζίµνπ νπφηε ην µείγµα αέξα-θαπζίµνπ αλαθιέγεηαη. ε αληίζεζε µε ηνλ θηλεηήξα Otto, ε ξχζµηζε ηεο ηζρχνο ηνπ θηλεηήξα Diesel είλαη πνηνηηθή, δειαδή ε απμνµείσζε ηνπ έξγνπ θαη ηεο ηζρχνο επηηπγράλεηαη µε ηελ µεηαβνιή ηεο πνηφηεηαο ηνπ µίγµαηνο, δειαδή ηνπ ιφγνπ αέξα-θαπζίµνπ. Επεηδή φµσο, ε πνζφηεηα ηνπ αέξα γηα δεδνµέλε ηαρχηεηα πεξηζηξνθήο ηνπ θηλεηήξα είλαη ζηαζεξή γηα φια ηα θνξηία, ε ξχζµηζε ηεο ηζρχνο επηηπγράλεηαη δηαµέζνπ ηεο µεηαβνιήο ηεο αλά θχθιν εγρπφµελεο πνζφηεηαο θαπζίµνπ. Επνµέλσο, γηα ηελ απμνµείσζε ηεο ηζρχνο µεηαβάιιεηαη ν ξπζµφο έγρπζεο ηνπ θαπζίµνπ δηαµέζνπ ηνπ πνζνηηθνχ ειέγρνπ ηεο αληιίαο έγρπζεο. Η αξρή ιεηηνπξγίαο ηνπ ηεηξάρξνλνπ θηλεηήξα Diesel έρεη σο εμήο: θαηά ηε θάζε ηεο αλαξξφθεζεο αηµνζθαηξηθφο αέξαο δηνρεηεχεηαη ζηνλ θχιηλδξν. Η πνζφηεηα ηνπ αέξα δελ πεξηνξίδεηαη δηφηη ζηελ πεξίπησζε ηνπ θηλεηήξα Diesel δελ ππάξρεη ζηξαγγαιηζηηθή βαιβίδα ζηελ πνιιαπιή εηζαγσγήο, φπσο είδαµε ζηελ πξνεγνχµελε παξάγξαθν. Εμαηηίαο ηνπ αξθεηά πςεινχ ιφγνπ ζπµπίεζεο ε ζεξµνθξαζία ηνπ ζπµπηεζµέλνπ αέξα πξνο ην ηέινο ηεο θάζεο ζπµπίεζεο είλαη αξθεηή γηα λα πξνθαιέζεη ηελ αεξηνπνίεζε ηνπ θαπζίµνπ, πνπ εγρχεηαη ζε πγξή µνξθή, µέρξη ηελ ζηηγµή ηεο αλάθιεμήο ηνπ. Η θαιή ιεηηνπξγία ηνπ θηλεηήξα Diesel εμαξηάηαη απφ ηνλ θαηάιιειν έιεγρν ηεο έγρπζεο ηνπ θαπζίµνπ θαη ηεο θίλεζεο ηνπ αέξα ζηνλ ζάιαµν θαχζεο, µε ζθνπφ ηελ θαηά ην δπλαηφλ θαιχηεξε αλάµημε ησλ αηµψλ ηνπ θαπζίµνπ µε ηνλ αέξα θαη ηελ νµνγελνπνίεζε ηνπ µείγµαηνο ζε ζχληνµν ρξνληθφ δηάζηεµα. Γηα λα επηηεπρζνχλ ηα παξαπάλσ έρνπλ ρξεζηµνπνηεζεί δχν ιχζεηο ζρεδηαζµνχ ηνπ ζαιάµνπ θαχζεο. Ο εληαίνο ζάιαµνο θαχζεο µε άµεζε έγρπζε, απνηειεί ηελ επηινγή ζρεδηαζµνχ πνπ πξνηηµάηαη γηα ηνπο πεξηζζφηεξνπο ζχγρξνλνπο πεηξειαηνθηλεηήξεο θαη ζρεµαηίδεηαη απφ ηελ άλσ επηθάλεηα ηνπ εµβφινπ θαη ηελ θάησ επηθάλεηα ηεο θεθαιήο ηνπ θπιίλδξνπ. Η δηάηαμε απηή ζπλδπάδεη ηε ραµειφηεξε θαηαλάισζε θαπζίµνπ, ηηο απμεµέλεο πηέζεηο έγρπζεο θαη ηηο µεησµέλεο εθπνµπέο ξχπσλ. ηνπο ζεµεξηλνχο πνιχζηξνθνπο, µέζσλ θαη

29 µεγάισλ δηαζηάζεσλ θηλεηήξεο µε ειεθηξνληθά ειεγρφµελν ςεθαζµφ, επηηπγράλνληαη πςειφηαηεο πηέζεηο έγρπζεο µεηαμχ 1000 θαη 1800bar. Γηα ηελ θαιχηεξε δηαλνµή ηνπ θαπζίµνπ ζηνλ θχιηλδξν θαη επνµέλσο ηελ θαιχηεξε θαχζε ρξεζηµνπνηνχληαη εγρπηήξεο πςειήο πίεζεο µε αθξνθχζηα πνιιαπιψλ νπψλ µε ηνλ αξηζµφ, ην µέγεζνο θαη ηε γσλία έγρπζεο ησλ αθξνθπζίσλ λα εμαξηάηαη απφ ηε γεσµεηξία ηεο θεθαιήο ηνπ εµβφινπ. Η άλσ επηθάλεηα ηνπ εµβφινπ θαζψο θαη γεληθφηεξα φια ηα ηνηρψµαηα ηνπ θπιίλδξνπ δηαµνξθψλνληαη µε ηέηνην ηξφπν, ψζηε λα πξνάγνπλ ηελ έληαζε ησλ ζηξνβηισδψλ θηλήζεσλ ηνπ αέξα θαηά ηε θάζε ηεο ζπµπίεζεο, µε ζηφρν ηελ νµνηφµνξθε θαηαλνµή ηνπ µίγµαηνο ζηνλ ζάιαµν θαχζεο. Ο δηµεξήο ζάιαµνο θαχζεο µε έµµεζε έγρπζε ηνπ θαπζίµνπ απνηέιεζε γηα ρξφληα ηελ πξνηηµεηέα ιχζε ησλ θαηαζθεπαζηψλ γηα ηνπο µηθξψλ δηαζηάζεσλ θηλεηήξεο, πςειήο ηαρχηεηαο πεξηζηξνθήο πνπ ρξεζηµνπνηνχληαη ζηα απηνθίλεηα θαη ζηα µηθξά θνξηεγά. Πάλησο, θαη ζ απηέο ηηο εθαξµνγέο νη θηλεηήξεο δηµεξψλ ζαιάµσλ ηείλνπλ λα αληηθαηαζηαζνχλ νινθιεξσηηθά απφ θηλεηήξεο µε εληαίνπο ζαιάµνπο άµεζεο έγρπζεο. Ο δηµεξήο ζάιαµνο θαχζεο ππνδηαηξείηαη ζε δχν ηµήµαηα ηνλ θχξην θαη ην δεπηεξεχνληα ή βνεζεηηθφ ζάιαµν θαχζεο πνπ επηθνηλσλνχλ µεηαμχ ηνπο δηαµέζνπ µίαο ζηελήο δηφδνπ. Ο θχξηνο ζάιαµνο ζρεµαηίδεηαη θαλνληθά µεηαμχ εµβφινπ θαη θαιχµµαηνο θπιίλδξνπ, ελψ ν δεπηεξεχσλ έρεη ηε µνξθή ηδηαίηεξνπ ζχιαθα, δηαµνξθσµέλνπ θαηά ην µεγαιχηεξν ζπλήζσο µέξνο ηνπ, εληφο ηνπ θαιχµµαηνο ηεο θεθαιήο. Ο δεπηεξεχσλ ζάιαµνο ζηεγάδεη ηνλ εγρπηήξα ςεθαζµνχ µε αθξνθχζην µίαο νπήο ζηηο πεξηζζφηεξεο πεξηπηψζεηο, θαζψο θαη ην απαξαίηεην, ζηελ πεξίπησζε ηνπ δηµεξνχο ζαιάµνπ, βνεζεηηθφ µέζν εθθίλεζεο πνπ είλαη ζπλήζσο έλαο ειεθηξηθφο ππξαθησηήο. ηαθξίλνληαη ηξεηο θαηεγνξίεο δηµεξψλ ζαιάµσλ θαχζεο: ν πξνζάιαµνο (precombustion chamber), ν ζηξνβηινζάιαµνο (swirl chamber) θαη ν ηαµηεπηήο αέξα. Καη ζηηο ηξεηο πεξηπηψζεηο ε ηνπνζέηεζε ελφο πξφζζεηνπ ζαιάµνπ µεηαμχ ηεο αληιίαο ςεθαζµνχ θαη ηνπ ζαιάµνπ θαχζεο βαζίδεηαη ζηελ ίδηα αξρή ιεηηνπξγίαο. Μέξνο ηνπ θαπζίµνπ θαίγεηαη ζηνλ ζχιαθα, ζε ζπλζήθεο απμεµέλνπ ζηξνβηιηζµνχ, θαη ε πίεζε πνπ παξάγεηαη αλαµηγλχεη ην ππφινηπν θαχζηµν ζηνλ θχξην ζάιαµν θαχζεο µε απνηέιεζµα ηελ ηαρεία θαχζε ηνπ.

30 (Α) (Β) Δηθόλα 3.1: (Α). ηµεξήο ζάιαµνο θαχζεο εµµέζνπ ςεθαζµνχ µε πξνζάιαµν. (Β). ηµεξήο ζάιαµνο θαχζεο εµµέζνπ ςεθαζµνχ µε ζηξνβηινζάιαµν. πµπεξαζµαηηθά, ε δηαµφξθσζε ηνπ δηµεξνχο ζαιάµνπ θαχζεο θαζηζηά ηελ θαηαζθεπή ηνπ θαιχµµαηνο ηνπ θπιίλδξνπ δχζθνιε θαη δαπαλεξή. Επίζεο, νη θηλεηήξεο µε δηµεξή ζάιαµν θαχζεο εµθαλίδνπλ απμεµέλε εηδηθή θαηαλάισζε θαπζίµνπ θαη επνµέλσο ραξαθηεξίδνληαη απφ µεησµέλν βαζµφ απφδνζεο. µσο, νη θηλεηήξεο µε δηµεξείο ζαιάµνπο θαχζεο επηηπγράλνπλ ζεµαληηθή αχμεζε ηεο ηαρχηεηαο πεξηζηξνθήο ηνπο θαζψο θαη αχμεζε ηεο ζπγθεληξψζεσο ηζρχνο ιφγσ ηεο δπλαηφηεηαο επηηπρνχο θαχζεσο µε µηθξφηεξε πεξίζζεηα αέξα θαη επνµέλσο µεησµέλεο εθπνµπέο άθαπζηνπ άλζξαθα ζηελ εμαγσγή Πεξηζηξνθηθόο θηλεηήξαο Wankel Ο πεξηζηξνθηθφο θηλεηήξαο Wankel, πνπ πήξε ηo φλνµα απφ ηνλ εθεπξέηε ηνπ Felix Wankel ( ), απνηειεί µία ηδηφηππε πεξίπησζε εµβνινθφξνπ θηλεηήξα. Ο θηλεηήξαο πεξηζηξεθφµελνπ εµβφινπ, φπσο αιιηψο νλνµάδεηαη, δελ εθµεηαιιεχεηαη ηελ παιηλδξνµηθή θίλεζε ελφο εµβφινπ ζηνλ θχιηλδξν, αιιά παξάγεη απ επζείαο πεξηζηξνθηθή θίλεζε θαζψο ρξεζηµνπνηεί έλα ηξηγσληθφ δηζθνεηδέο έµβνιν, ην νπνίν πεξηζηξέθεηαη έθθεληξα µέζα ζε έλα θέιπθνο θαηάιιειεο µνξθήο (επηηξνρνεηδήο δίινβνο). Καζψο ην έµβνιν πεξηζηξέθεηαη, ε