Разработка автоматизированного комплекса для исследования взаимодействия водорода с твердым телом

Саквин, Иван Отделение экспериментальной физики (ОЭФ)
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

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.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Ольга Б. кандидат наук, доцент
    4.8 (373 отзыва)
    Работаю на сайте четвертый год. Действующий преподаватель вуза. Основные направления: микробиология, биология и медицина. Написано несколько кандидатских, магистерских... Читать все
    Работаю на сайте четвертый год. Действующий преподаватель вуза. Основные направления: микробиология, биология и медицина. Написано несколько кандидатских, магистерских диссертаций, дипломных и курсовых работ. Слежу за новинками в медицине.
    #Кандидатские #Магистерские
    566 Выполненных работ
    Анна Александровна Б. Воронежский государственный университет инженерных технол...
    4.8 (30 отзывов)
    Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственно... Читать все
    Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственном университете инженерных технологий.
    #Кандидатские #Магистерские
    66 Выполненных работ
    Родион М. БГУ, выпускник
    4.6 (71 отзыв)
    Высшее экономическое образование. Мои клиенты успешно защищают дипломы и диссертации в МГУ, ВШЭ, РАНХиГС, а также других топовых университетах России.
    Высшее экономическое образование. Мои клиенты успешно защищают дипломы и диссертации в МГУ, ВШЭ, РАНХиГС, а также других топовых университетах России.
    #Кандидатские #Магистерские
    108 Выполненных работ
    Дмитрий Л. КНЭУ 2015, Экономики и управления, выпускник
    4.8 (2878 отзывов)
    Занимаю 1 место в рейтинге исполнителей по категориям работ "Научные статьи" и "Эссе". Пишу дипломные работы и магистерские диссертации.
    Занимаю 1 место в рейтинге исполнителей по категориям работ "Научные статьи" и "Эссе". Пишу дипломные работы и магистерские диссертации.
    #Кандидатские #Магистерские
    5125 Выполненных работ
    Анна Н. Государственный университет управления 2021, Экономика и ...
    0 (13 отзывов)
    Закончила ГУУ с отличием "Бухгалтерский учет, анализ и аудит". Выполнить разные работы: от рефератов до диссертаций. Также пишу доклады, делаю презентации, повышаю уни... Читать все
    Закончила ГУУ с отличием "Бухгалтерский учет, анализ и аудит". Выполнить разные работы: от рефератов до диссертаций. Также пишу доклады, делаю презентации, повышаю уникальности с нуля. Все работы оформляю в соответствии с ГОСТ.
    #Кандидатские #Магистерские
    0 Выполненных работ
    Мария М. УГНТУ 2017, ТФ, преподаватель
    5 (14 отзывов)
    Имею 3 высших образования в сфере Экологии и техносферной безопасности (бакалавриат, магистратура, аспирантура), работаю на кафедре экологии одного из опорных ВУЗов РФ... Читать все
    Имею 3 высших образования в сфере Экологии и техносферной безопасности (бакалавриат, магистратура, аспирантура), работаю на кафедре экологии одного из опорных ВУЗов РФ. Большой опыт в написании курсовых, дипломов, диссертаций.
    #Кандидатские #Магистерские
    27 Выполненных работ
    Кирилл Ч. ИНЖЭКОН 2010, экономика и управление на предприятии транс...
    4.9 (343 отзыва)
    Работы пишу, начиная с 2000 года. Огромный опыт и знания в области экономики. Закончил школу с золотой медалью. Два высших образования (техническое и экономическое). С... Читать все
    Работы пишу, начиная с 2000 года. Огромный опыт и знания в области экономики. Закончил школу с золотой медалью. Два высших образования (техническое и экономическое). Сейчас пишу диссертацию на соискание степени кандидата экономических наук.
    #Кандидатские #Магистерские
    692 Выполненных работы
    Мария А. кандидат наук
    4.7 (18 отзывов)
    Мне нравится изучать все новое, постоянно развиваюсь. Могу написать и диссертацию и кандидатскую. Есть опыт в различных сфера деятельности (туризм, экономика, бухучет... Читать все
    Мне нравится изучать все новое, постоянно развиваюсь. Могу написать и диссертацию и кандидатскую. Есть опыт в различных сфера деятельности (туризм, экономика, бухучет, реклама, журналистика, педагогика, право)
    #Кандидатские #Магистерские
    39 Выполненных работ
    Петр П. кандидат наук
    4.2 (25 отзывов)
    Выполняю различные работы на заказ с 2014 года. В основном, курсовые проекты, дипломные и выпускные квалификационные работы бакалавриата, специалитета. Имею опыт напис... Читать все
    Выполняю различные работы на заказ с 2014 года. В основном, курсовые проекты, дипломные и выпускные квалификационные работы бакалавриата, специалитета. Имею опыт написания магистерских диссертаций. Направление - связь, телекоммуникации, информационная безопасность, информационные технологии, экономика. Пишу научные статьи уровня ВАК и РИНЦ. Работаю техническим директором интернет-провайдера, имею опыт работы ведущим сотрудником отдела информационной безопасности филиала одного из крупнейших банков. Образование - высшее профессиональное (в 2006 году окончил военную Академию связи в г. Санкт-Петербурге), послевузовское профессиональное (в 2018 году окончил аспирантуру Уральского федерального университета). Защитил диссертацию на соискание степени "кандидат технических наук" в 2020 году. В качестве хобби преподаю. Дисциплины - сети ЭВМ и телекоммуникации, информационная безопасность объектов критической информационной инфраструктуры.
    #Кандидатские #Магистерские
    33 Выполненных работы

    Другие учебные работы по предмету

    Модифицирование поверхности полученного с помощью аддитивной технологии титанового сплава Ti-6Al-4V
    📅 2021год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)
    Изучение процессов термостимулированного и неравновесного выхода изотопов водорода из Pd, Ni, Pt, Zr, Ti
    📅 2021год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)