Разработка автоматизированного комплекса для исследования взаимодействия водорода с твердым телом
В процессе разработки были изучены схемы существующих устройств для исследования процессов сорбции и десорбции водорода в твердом теле. На основе существующих устройств была выбрана функциональная схема. Учитывая широкий ряд решаемых задач в области водородной энергетики была разработана принципиальная схема, отвечающая заявленным параметрам. Затем был произведен расчет основных узлов устройства на соответствие заявленным параметрам и сборка макета устройства. Завершающим этом является калибровка объемов основных узлов газового тракта. По полученным данным можно судить о высокой точности экспериментального оборудования.
Введение ………………………………………………………………………………………………………………………14
1 Теоретические основы взаимодействия водорода с твердыми телами ………………………….18
1.1 Накопление водорода из газовой фазы …………………………………………………………………18
1.2 Диффузия водорода …………………………………………………………………………………………….22
1.3 Термостимулированное газовыделение ……………………………………………………………….29
1.4 Принцип работы гравиметричских устройств для исследования процессов сорбции и
десорбции водорода в твердом теле…………………………………………………………………………..33
1.5 Принцип работы волюметрических устройств для исследования процессов сорбции
и десорбции водорода в твердом теле ……………………………………………………………………….37
2 Основные компоненты комплексов для исследования процессов взаимодействия
водорода с твердым телом …………………………………………………………………………………………….41
2.1 Пример гравиметрического комплекса для исследования процессов сорбции и
десорбции водорода в твердом теле…………………………………………………………………………..41
2.2 Примеры волюметрических комплексов для исследования процессов сорбции и
десорбции водорода в твердом теле…………………………………………………………………………..44
3 Разработка автоматизированного комплекса Gas Reaction Automated Machine …………….55
3.1 Разработка газового тракта ………………………………………………………………………………….55
3.2 Калибровка объемов газового тракта …………………………………………………………………..62
Выводы по главе 3 ……………………………………………………………………………………………………66
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение …………………….67
4.1 Потенциальные потребители результатов исследования ………………………………………67
4.2 Анализ конкурентных технических решений ……………………………………………………….69
4.3 SWOT-анализ ……………………………………………………………………………………………………..70
4.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации …………………………………………………71
4.5 Методы коммерциализации результатов научно-технического исследования ……….73
4.6 Инициация проекта ……………………………………………………………………………………………..74
4.7 Планирование управления научно-исследовательского проекта …………………………..76
4.8 Бюджет научного исследования …………………………………………………………………………..78
4.9 Определение ресурсной, финансовой, бюджетной, социальной и экономической
эффективности исследования ……………………………………………………………………………………81
5 Социальная ответственность ………………………………………………………………………………………85
Введение ………………………………………………………………………………………………………………….85
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности……………………….85
5.1.1 Специальные правовые нормы трудового законодательства ………………….85
5.1.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
исследователя ………………………………………………………………………………………………………87
5.2 Производственная безопасность ………………………………………………………………………….87
5.3 Анализ вредных и опасных факторов, которые могут возникнуть в лаборатории при
проведении исследований …………………………………………………………………………………………89
5.3.1Анализ вредных факторов …………………………………………………………………….89
5.3.2 Анализ опасных факторов ……………………………………………………………………96
5.3 Экологическая безопасность ……………………………………………………………………………….98
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………………………………….98
5.4.1 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть в лаборатории при
проведении исследований …………………………………………………………………………………….98
5.4.2 Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка порядка
действия в случае возникновения ЧС ………………………………………………………………….100
Выводы ………………………………………………………………………………………………………………………101
Заключение…………………………………………………………………………………………………………………103
Список использованных источников……………………………………………………………………………105
Приложение А …………………………………………………………………………………………………………….112
Исследование взаимодействия водорода с твердым телом представляет
интерес на протяжении длительного времени. Данное взаимодействие
рассматривается относительно двух направлений. С одной стороны, водород
оказывает негативное воздействие на кристаллическую структуру твердого
тела, следовательно, необходимо разрабатывать различные способы защиты
конструкционных материалов от пагубного воздействия водорода [1, 2, 3]. С
другой стороны, водород можно рассматривать как альтернативный источник
энергии [4, 5, 6]. Следовательно, встает вопрос безопасного хранения и
транспортировки водорода. Одними из перспективных методов хранения
водорода можно считать химические методы [7, 8, 9, 10]. К таким методам
относится хранение водорода в адсорбированном виде на поверхности
материала, абсорбированном виде в объеме материала и в химически
связанном виде (аммиак, фуллерены и т.д.).
В настоящее время изучено огромное количество материалов и
соединений способных накапливать в себе большое количество водорода.
Одним из эффективных материалов-накопителей водорода можно считать
гидридобразующие металлы и сплавы [11, 12]. Но зачастую данные материалы
имеют определенные недостатки, которые ограничивают их использование.
Также в качестве материалов накопителей водорода все чаще
рассматриваются композитные системы на основе металлов и сплавов, а также
органические соединения и структуры, обладающие высокой емкостью.
Например, различного рода углеродные наноструктуры (углеродные
нанотрубки, фуллерены и т.п.) и металл-органические каркасные структуры
MOF (Metal Organic Frameworks) [13, 14]. При исследовании материалов-
накопителей водорода важно знать кинетику поглощения водорода (кривые
сорбции) и PCI зависимости (зависимость концентрации водорода от
давления).
Для исследования сорбционных свойств различных материалов
существует различное экспериментальное оборудование, позволяющее
проводить эксперименты из различных агрегатных состояний (из электролита,
из газовой фазы и из плазмы). При электролитическом наводораживании
преобладает исследование только поверхностных процессов взаимодействия
металлов с водородом, а внедрение водорода из плазмы может происходить
только при малых давлениях, что ограничивает количество сорбированного
водорода. Следовательно, наиболее перспективным методом исследования
процессов сорбции водорода является внедрение водорода из газовой фазы.
Примерами устройств, использующих данный метод, являются
волюметрические и гравиметрические комплексы. Данные комплексы
способны выполнять исследования в широком диапазоне температур и
давлений.
Гравиметрические комплексы способны производить исследование
процессов взаимодействия водорода с большим количеством материалов.
Данные устройства отличаются достаточно низкой погрешностью измерений,
обусловленной использованием точных измерительных приборов и
программным обеспечением, учитывающем погрешности измерений
физических величин. Гравиметрические комплексы нашли широкое
применение в исследовании пористых материалов, в которых сложно
определить плотность материала, например, MOF, различные углеродные
нано-структуры и т.п. Однако данные устройства имеют ряд недостатков, а
именно сложное программно-аппаратное устройство, высокая цена некоторых
комплектующих и не высокая максимальная температура исследований
(порядка 400 °С).
Волюметрические комплексы также нашли широкое применение в
исследовании процессов взаимодействия водорода с твердыми телами.
Точность данных устройств ограничивается лишь точностью использующихся
измерительных приборов. Также они имеют ряд преимуществ, например, при
исследовании гидридообразующих материалов можно получить важную
информацию о характере реакции сорбции/десорбции, такую как гистерезис
сорбции/десорбции водорода и их скорости. Также в процессе исследования
данные устройства позволяют получить информацию о химическом составе
образующихся гидридов. Также при исследовании материалов с неизвестной
плотностью на базе данных устройств существует экспериментальный метод
определения плотности при известной массе.
Учитывая сложившуюся в Российской Федерации ситуацию,
существует необходимость разработки новых отечественных устройств для
исследования процессов взаимодействия водорода с твердыми телами. Для
этого необходимо иметь представление о принципе работы и программно-
аппаратном устройстве существующего экспериментального оборудования.
Целью данной работы является разработка программно-аппаратного
комплекса для исследования процессов взаимодействия газов с твердым
телом.
Исходя из цели были поставлены следующие задачи:
− Изучение существующих схем устройств для исследования
процессов сорбции и десорбции водорода в твердом теле;
− Выбор функциональной схемы устройства;
− Разработка принципиальной схемы устройства, отвечающей
конкретным параметрам;
− Расчет основных узлов устройства на соответствие заявленным
параметрам;
− Разработка эскиза проекта;
− Изготовление основных узлов устройства;
− Сборка макета устройства;
− Проверка устройства на соответствие заявленным параметрам;
− Калибровка объемов основных узлов газового тракта.
В данной работе произведен аналитический обзор принципов работы и
аппаратного устройства гравиметрического комплекса (XEMIS-100 фирмы
Hiden Isochema [15]), и нескольких волюметрических комплексов (Gas
Reaction Controller фирмы Advanced Materials Corporation [16];
волюметрический комплекс, разработанный лабораторией Purdue Hydrogen
Systems [17]; и волюметрический комплекс, разработанный командой
H.H.Cheng, X.X.Deng, S.L.Li, W.Chen, D.M.Chen, K.Yang [18]) с целью
определения основных принципов работы и нахождения как сильных, так и
слабых сторон устройств.
Исследование взаимодействия водорода с твердыми телами
представляет интерес на протяжении длительного времени. В настоящее время
изучено огромное количество материалов и соединений способных
накапливать в себе большое количество водорода. Одним из эффективных
материалов – накопителей водорода можно считать гидридобразующие
металлы и сплавы. Также в качестве материалов накопителей водорода все
чаще рассматриваются композитные системы на основе металлов и сплавов, а
также органические соединения и структуры, обладающие высокой емкостью.
Например, различного рода углеродные наноструктуры (углеродные
нанотрубки, фуллерены и т.п.) и металл – органические каркасные структуры
MOF (Metal Organic Frameworks).
Для исследования сорбционных свойств различных материалов
существует различное экспериментальное оборудование, позволяющее
проводить эксперименты из различных агрегатных состояний (из электролита,
из газовой фазы и из плазмы). При электролитическом наводораживании
преобладает исследование только поверхностных процессов взаимодействия
металлов с водородом, а внедрение водорода из плазмы может происходить
только при малых давлениях, что ограничивает количество сорбированного
водорода. Следовательно, наиболее перспективным методом исследования
процессов сорбции водорода является внедрение водорода из газовой фазы.
Устройства, использующие данный метод, способны производить
эксперименты в широком диапазоне температур и давлений. Одними из таких
устройств являются гравиметрические и волюметрические комплексы
исследующие процессы сорбции/десорбции водорода.
В данной работе был произведен выбор функциональной схемы
автоматизированного комплекса GRAM. Также на основе функциональной
схемы устройства и существующих аналогов была разработана
принципиальная схема, соответствующая конкретным параметрам.
Произведен расчет основных узлов на соответствие прочностным
характеристикам. Основываясь на данном расчете запас прочности газовой
камеры составляет 2,26 при ресурсе работы 10000 часов.
Использование отдельного тракта с газовым выходом позволяет
производить эксперименты на проницаемость различных газов сквозь
широкий класс материалов. Данная схема позволяет определять как время
диффузии газа сквозь материал, так и состав проходящей газовой смеси.
Калибровка объемов газового тракта показывает высокую точность
измерения термодинамических параметров системы, что говорит о
работоспособности данного устройства.
Последние выполненные заказы
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.2 (13 отзывов)
4.1 (20 отзывов)
5 (18 отзывов)
4.8 (40 отзывов)
5 (174 отзыва)
4.9 (66 отзывов)
4.8 (17 отзывов)
4.9 (5 отзывов)
5 (8 отзывов)
