HYDRO-BOOSTER-2007
H2o vízbontás segítségével élj!

               A környezetért, egészségünkért és a pénztárcánkért!

 

 

   

 

Az itt látható számításokat részben konkrét kísérletek, részben pedig elméleti következtetések alapján végeztem el. Arra szeretnélek kérni, hogy Te is bátran kísérletezzél és bizonyítsd be a számítások helyességét - vagy éppen helytelenségét. Ha bármilyen megjegyzésed van a számításokkal kapcsolatban, akkor azt bátran közöld.

 

 

A hidrogénmotor hidrogénszükséglete

Először végezzünk el egy gyors számítást annak meghatározására, hogy mennyi hidrogénra volna szükségünk, ha csak hidrogént adagolnánk a belsőégésű motorba. Ez a számítás azért olyan fontos, mert többen is küldtetek, Kedves Olvasók, ilyen számítást - azt bizonyítva, hogy a vízautó gyakorlatilag kivitelezhetetlen.

A következő táblázatban néhány üzemanyag (Ha) fűtőértékét hasonlíthatod össze.

Üzemanyag
Fűtőérték (Ha)
Benzin               42,494 MJ/kg         
Propán               41,950 MJ/kg         
Hidrogén               119,590 MJ/kg         

1.táblázat. Néhány üzemanyag fűtőértéke

Mint az 1.táblázatból látjuk, 1 kg hidrogéngáz fűtőértéke 119,590 MJ. Egy 45 LE-s motor egy óra alatt végzett folyamatos munkája 119,16 MJ.

Ha a motor térfogata 1000 cm3 és a fordulatszáma 4000/perc (azaz a percenkénti szívóütemek száma 2000/perc), akkor a percenként beszívott levegő-hidrogén keverék mennyisége 2000 * 1000 = 2 000 000 ml = 2000 liter, az egy óra alatt beszívott keverék mennyisége pedig 60 * 2000 liter = 120 000 liter.

1 kg hidrogén az 500 mól, 1 mól viszont szobahőmérsékleten és atmoszférikus nyomáson 24,45 liternek felel meg, vagyis 1 kg hidrogén literben kifejezve 500 * 24,45 liter = 12 225 liter.

Ha egy óra alatt 1 kg hidrogént fogyaszt a motor, akkor a levegő mennyisége 120 000-12225 = 107 775 liter = 107,775 m3. Mivel a levegő sűrűsége 1,2928 kg/m3, így 107,775 m3 levegő súlya 107,775 * 1,2928 = 139,3 kg. A levegő/hidrogéngáz keverék aránya tehát 139,3:1. Ez még rendben is van, hiszen a hidrogén begyullad 180:1 L/H arány mellett is, viszont itt két probléma merül fel:

  1. A belsőégésű motorok hatásfoka igen alacsony, 30 % körül van. Az 1 kg hidrogéngáz elégetésekor felszabaduló 119,590 MJ energiának tehát csak a 30 %-át tudjuk hasznosítani, azaz a motor teljesítménye a benzines üzemmódhoz képest a harmadára csökken. Ezt kompenzálandó a hidrogénmotorokat nagyobbra tervezik, ill. a helyes arányú keveréket nagy nyomáson juttatják az égéstérbe.
  2. A második kérdés az, hogy hogyan lehet gazdaságosan előállítani 12225 l/óra, azaz 203 l/perc hidrogéngázt. A hagyományos elektrolízis során 1 A/perc egyenárammal 6,2728 ml/perc, azaz 0,0062728 l/perc hidrogéngázt tudunk előállítani, feltételezve, hogy az elektrolízis hatásfoka 100 %-os. A percenként 200 liter hidrogéngáz előállításához tehát 203 / 0,0062728 = 32362 A áramra van szükség. Ezt honnét vesszük?

 

Azzal kapcsolatban is kaptam számításokat, hogy mennyi vízre van szükség az imént említett hidrogénmennyiség előállítására. Íme a számítások:

1 gramm víz 1,23 liter hidrogént tartalmaz. Az előbbi példánál maradva, legyen a motor térfogata 1000 cm3 és a fordulatszáma 4000/perc (azaz a percenkénti szívóütemek száma 2000/perc). Azt már pár sorral feljebb kiszámoltuk, hogy 119,16 MJ munkához 12225 liter hidrogént kell elégetni, így a szükséges vízmennyiség 12225 / 1,23 = 9939 gramm/óra, azaz 9,939 liter/óra. Ha a percenkénti szívóütemek száma 2000, akkor a hengerekbe óránként 60 * 2000 = 120 000-szer kell üzemanyagot juttatni. Egy szívási ütemben tehát 9939 / 120 000 = 0,0828 g vizet kell bejuttatnunk az égéstérbe.

 

A vízautó hidrogénszükséglete

Valóban nem tűnik megvalósíthatónak az, hogy a szükséges hidrogéngázt menet közben állítsuk elő.

De mégis van rá megoldás! A víz és a nullpontenergia közötti szoros kapcsolatot kell kihasználnunk. Nem véletlen, hogy a vízautó témáját a Fénykapun, vagyis az ingyenenergiával foglalkozó weboldalon taglaljuk.

Az elv a következő: A szükséges hidrogén túlnyomó részét víz formájában juttatjuk a hengerekbe. Az előző oldalon már szó volt arról, hogy magas hőmérsékleten a víz spontán módon lebomlik hidrogénra és oxigénra. A teendőnk tehát csak az, hogy a szükséges mennyiségű vizet bejuttassuk az égéstérbe a levegő/hidrogén keverékkel együtt. Ott meggyújtjuk a hidrogéngázt, s az így keletkezett hő hatására lebomlik a víz, majd újraegyesülve felszabadítja a számunkra szükséges nullpontenergiát.

 

Az AQUA-spricc

Mielőtt mindezt a tudományos fantasztikum témakörébe sorolnád, olvasd el a Bágyi Miklós magyar feltaláló AQUA-spricc nevű találmányáról szóló ismertetőt. A találmány lényege, hogy a benzin-levegő keverék mellé bizonyos mennyiségű vizet is bejuttat az égéstérbe, ahol az a magas, 2500 °C-os hőmérséklet következtében lebomlik hidrogénra és oxigénra, majd újraegyesül vízzé. Ez a szétválási és újraegyesülési folyamat egyetlen munkavégzési ütemben többször is lejátszódik. A találmányt sok különböző típusú gépjárműben alkalmazzák nagy sikerrel, az üzemanyag-megtakarítás 15-20 %-os.

A vízautóban ugyanezt tesszük, annyi különbséggel, hogy a szükséges hőmérsékletet a hidrogéngáz, nem pedig a benzin elégetésével érjük el.

Itt egyből azt mondhatnád, hogy "de ahhoz, hogy a víz a szükséges hőmennyiséget megkapja, nagy mennyiségű hidrogént kell elégetni, s így visszajutunk az eredeti problémához, azaz a hidrogén előállításához." Ez azonban csak látszólag igaz! Mint az előző oldalon már olvashattad, a víz fajhője egy bizonyos hőmérséklet után nem növekszik, hanem csökken, míg el nem éri a nullát. A nulla fajhő azt jelenti, hogy 0 J hőt kell közölni ahhoz, hogy az m tömegű vízen DT hőmérsékletváltozást érjünk el. A másik fontos feltétel, hogy nem lassan melegítjük fel a vizet, hanem hirtelen hozzuk létre a magas hőmérsékletet, ezáltal a víz magas hőmérsékletű fajhőjével számolhatunk.

A kérdés tehát az, hogy mennyi vizet és mennyi hidrogéngázt kell egy munkavégzési ütemhez bejuttatni az égéstérbe.

A számításokat kezdjük a már említett AQUA-spricc szabadalomnál található Lada Samarán végzett mérések eredményeinek az ismertetésével. A következő mérési adatok ismertek:

  • A fogyasztás tiszta benzinüzemnél 11,71 liter/100 km. Az egyszerűség kedvéért úgy vesszük, hogy 100 km-t 1 óra alatt teszünk meg, így a fogyasztást 11,71 liter/órának vesszük.
  • Vizet hozzáadva a fogyasztás lecsökkent 8,96 liter/100 km-re, azaz 8,96 liter/órára.
  • A víz aránya a benzinhez képest a következő volt: 36-40 liter benzinhez adtak 2,5 liter vizet. Az egyszerűség kedvéért vegyük úgy, hogy 38 liter benzinhez adunk 2,5 liter vizet, azaz minden liter benzinhez 2,5 / 38 = 0,066 liter vizet adagoltunk, a lecsökkentett 8,96 literhez pedig 8,96 * 0,066 = 0,59 litert.
  • Tiszta benzinüzemnél a motor maximális teljesítménye 42 kW, egy óra alatt tehát a munkavégzés 42 * 3,6*10^6 = 151,2 MJ.
  • Vizet hozzáadva ez a teljesítmény megnövekedett 45 kW-ra, egy óra alatt tehát a munkavégzés 45 * 3,6*10^6 = 162,0 MJ.

Ezen adatok alapján kezdjünk el számolni.

A benzinfogyasztás a víz hozzáadásával 11,71 - 8,96 = 2,75 l/órával csökkent. Ez 2,75 * 100 / 11,71 = 23,5 %-os benzin-megtakarítást jelent.

Mivel a motor nem tudja 100 %-osan felhasználni az üzemanyag teljes fűtőértékét, ezért először határozzuk meg a motor hatásfokát. Tiszta benzinüzemnél a fogyasztás 11,71 liter benzin volt. 1 liter benzin súlya 0,74 kg, így 11,71 liter benzin fűtőértéke 11,71 * 0,74 * 42,494 = 368,2 MJ. Ezzel szemben a motor fékpadon mért teljesítménye 151,2 MJ volt. A motor hatásfoka tehát 151,2 * 100 / 368,2 = 41 %. Az elszegényített benzin-levegő keverék 8,96 liter benzint tartalmazott, aminek a fűtőértéke 8,96 * 0,74 * 42,494 = 281,7 MJ, de a motor hatásfokát is figyelembe véve ennek csak a 41 %-át tudjuk hasznosítani, azaz 281,7 * 0,41 = 115,7 MJ-t.

Ezt ellenőrizzük le egy másik módszerrel. Mivel tudjuk azt, hogy a fogyasztás 8,96 * 100 / 11,71 = 76,52 %-ra csökkent, így tiszta benzinüzemnél az elszegényített benzin-levegő keverékkel (víz hozzáadása nélkül) a teljesítménynek le kell csökkennie 151,2 * 0,7652 = 115,7 MJ-ra. Ez pontosan az, amit az imént kiszámoltunk egy másik módszerrel, mégpedig a benzin fűtőértékének és a motor hatásfokának a figyelembevételével.

 

Megjegyzés: A 41 %-os hatásfok túl jó értéknek tűnik, de itt figyelembe kell vennünk azt is, hogy fékpados mérésről volt szó, a fordulatszám optimális volt és nem is nagyon változott. A valóságban természetesen a benzinmotoros autók hatásfoka ennél alacsonyabb, városi forgalomban ez leeshet akár 12-13 %-ra is. Hogy mi mégis ezzel a hatásfokkal számolunk, annak az az oka, hogy az összes mérési adat is ehhez igazodik.

 

Menjünk tovább. A víz hozzáadásával a teljesítmény megnőtt 162,0 MJ-ra. Ebből arra következtethetünk, hogy a víz energiája 162,0 - 115,7 = 46,3 MJ. Ez a teljes energia 46,3 * 100 / 162 = 28,6 %-a. Mivel azonban a motor hatásfoka 41 % benzinüzemnél, feltételezhetjük, hogy a víz lebontása során keletkezett hidrogén elégetésekor is hasonló hatásfokkal fog működni. Ezért a víz fűtőértéke 46,3 / 0,41 = 112,9 MJ.

0,59 liter vízzel tehát 112,9 MJ fűtőértéket értünk el, míg a 8,96 liter benzinnel 281,7 MJ-t. Megdöbbentő!

De menjünk még tovább. Tudjuk azt is, hogy 1 gramm víz 1,23 liter hidrogént tartalmaz, 590 g pedig 590 * 1,23 = 725,7 litert. Az is ismeretes, hogy 12225 liter hidrogén fűtőértéke 119,59 MJ, így kiszámíthatjuk, hogy 725,7 liter hidrogén 725,7 * 119,59 * 10^6 / 12225 = 7,099 MJ fűtőértékkel rendelkezik. Ezzel szemben mi azt tapasztaltuk, hogy 112,9 / 7,099 = 15,9-szer több energiát nyertünk ki, mint amennyit elméletileg kapnunk kellett volna. Ezt kerekítsük 16-ra. Mindezt azzal magyarázhatjuk, amit Bágyi Miklós a szabadalmában is említ, vagyis hogy az égéstérben uralkodó 2500 °C-os hőmérsékleten a víz lebomlik hidrogénre és oxigénre, de mivel a hidrogén öngyulladási hőmérséklete 575 °C, így az újból vízzé "ég", mely víz aztán ismét lebomlik. Ez a körfolyamat addig folytatódik, amíg a dugattyú lefelé mozgásának következtében meg nem növekszik az égéstér térfogata, ezáltal csökkentve a hőmérsékletet, valamint a kipufogószelep megnyitásával a vízgőz ki nem jut a szabadba.

Itt a nullpontenergia megcsapolását láthatjuk "működés közben"!

Figyeljük meg, hogy ezeken a magas hőmérsékleteken a víz már egészen másként viselkedik, mint a "normális" körülmények között. Normális körülmények között a víz fajhője növekszik, ami azt sugallja, hogy minél magasabb hőmérsékletre akarjuk melegíteni a vizet, annál több hőt kell vele közölni. Ha az előző oldalon bemutatott 2.ábra exponenciális görbéjére tekintünk, azt (az első ránézésre helyesnek tűnő) következtetést vonhatjuk le, hogy a 2500 °C-os hőmérsékleten már olyan sok hőt kellene közölni a vízzel, ami jelentősen meghaladná azt a hőmennyiséget, amit a víz lebontásával nyert hidrogén elégetésekor kapunk. Ez pedig a szokásos, 1-nél kisebb hatásfokhoz vezetne.

De nem ez történik, mivel a víz fajhője egy bizonyos hőmérsékleten eléri a maximumot, annál magasabb hőmérsékleten pedig a fajhő csökkenni kezd, majd egy bizonyos hőmérsékleten a fajhő nulla lesz. Emlékeztetőül nézd meg az előző oldalon látható 4.ábra jobb alsó sarkában lévő haranggörbét és az 5. ábrát, mely nem más, mint a Schottky féle fajhő görbe. Erről beszélt Kürti Miklós professzor is az egyik előadása során.

Vizsgáljuk meg a rendszer energetikai egyensúlyát. Ha nincs nullpontenergia, akkor azt kellene kapnunk, hogy a motor mért hatásfokát figyelembe véve a mért teljesítményből kiszámolt energiának egyenlőnek kell lennie az elégettet üzemanyag fűtőértékével. Írjuk fel ezt az egyenletet.

Emért / h = Ebenzin + Evíz - Emelegítés

ahol:

  • Emért - a motor mért teljesítménye (162,0 MJ)
  • h - hatásfok (41 %)
  • Ebenzin - az elégetett benzin elméleti és gyakorlati fűtőértéke (281,7 MJ)
  • Evíz - a vízből kapott hidrogén elméleti fűtőértéke (7,099 MJ)
  • Emelegítés - az a hőmennyiség, amit a víz adott hőmérsékletre történő felmelegítésére kell fordítanunk

Fejezzük ki ebből az egyenletből az Emelegítés-t.

Emelegítés = ( Ebenzin + Evíz ) - (Emért / h)

Emelegítés = ( 281,7 + 7,099 ) - ( 162,0 / 0,41 ) = 288,8 - 395,1

Emelegítés = -106,3 MJ

Figyeld meg az előjelet! Negatív számot kaptunk, pedig pozitívat kellett volna. Ez azt jelenti, hogy a víz hozzáadása nem hogy csökkentette volna a rendszer eredő energiáját, hanem még növelte is! Ha a kapott -106,3 MJ energia abszolút értékéhez hozzáadjuk a vízből kapott hidrogén elméleti fűtőértékét, azaz 7,099 MJ-t, akkor 106,3 + 7,099 = 113,4 MJ-t kapunk. Ez (a kerekítési pontatlanságokat figyelmen kívül hagyva) megegyezik azzal az értékkel, amit már korábban kaptunk, vagyis 112,9 MJ-al. Ez csak egy ellenőrző számítás volt.

Azt kaptuk, hogy a motor teljesítménye még nőtt is a víz hozzáadásával, s a különbözet 16-szor haladta meg a víz lebontásakor kapott hidrogén fűtőértékét. Mindez azt sugallja, hogy a 2500 °C-os hőmérsékleten a víz fajhője már nulla, tehát nem von el hőt a környezetétől ahhoz, hogy a hőmérséklete megegyezzen a környezet hőmérsékletével, sőt, még plusz hőt is ad a környezetének.

Az a szám, amely megmutatja, hogy mennyiszer több energiát kapunk a víz révén, legyen k_zpe (ha már lehetek a Keresztapa), mely a mi esetünkben 16.

A k_zpe valószínűleg a vízre és talán a hőmérsékletre jellemző állandó. Mint már korábban utaltunk rá, a 16 azt jelenti, hogy az adott munkaütemben a víz 16-szor bomlik hidrogénra és oxigénra majd egyesül újra vízzé. Ebből azonban az is következik, hogy ha a munkaütem idejét megnyújtanánk, akkor ez a szám növekedne, igaz? Ha viszont ez a szám növekszik, akkor csökken az autó hidrogén- és vízfogyasztása. Ez a későbbiekben újabb töprengések és kísérletek forrása lehet...

 

 

Tehát akkor mennyi hidrogénra és vízre van szükségünk?

Térjünk vissza az eredeti kérdésre, azaz hogy mennyi hidrogénra van szükségünk ahhoz, hogy az égéstérben a munkaütem kezdő szakaszában elérjük a 2500 °C-os hőmérsékletet. Mivel az elmélet szerint a víz ezen a hőfokon már nem von el hőt a környezetétől, ezért annak hűtő hatásával nem kell számolnunk. Az is ismert tény, hogy a víz viszonylag lassan reagál a hőre, tehát ha elég gyorsan tudjuk az égésteret felhevíteni, akkor valóban nem kell számolnunk a víz hőelvonásával.

A következő táblázatban a benzin, a víz és a hidrogén fűtőértékeit hasonlíthatjuk össze. A k_zpe-vel jelölt adatok azt tükrözik, hogy mekkora az adott anyag fűtőértéke, ha a nullpontenergiát is figyelembe vesszük. A következő számításoknál ezeket az értékeket fogjuk használni.

Anyag
Fűtőérték
 1 liter Benzin
31,45 MJ 
 1 liter Víz
12,03 MJ 
 1 liter Víz (k_zpe)
192,48 MJ 
 1 liter Hidrogén
0,00978 MJ 
 1 liter Hidrogén (k_zpe)
0,1562 MJ 

2. táblázat. A különböző anyagok fűtőértékei a nullpontenergiával és anélkül

 

Már kiszámoltuk, hogy 0,59 liter vízzel 112,9 MJ fűtőértéket érünk el, míg 8,96 liter benzinnel 281,7 MJ-t. A benzin/víz fűtőértékeinek aránya tehát 281,7 / 112,9 = 5 / 2 = 2,5. Ez az arány valóban működőképes, mint azt az Aqua-spricc esetében már láttuk, de ezt még két Olvasó, Vferi és Laci is igazolták a kísérleteikkel.

Naudin kísérleteiben azonban a benzin/víz arány még ennél is jobb: 1/3, tehát 1 liter benzinhez 3 liter vizet adagolt. Ez fűtőértékekben kifejezve a következőt jelenti: 1 liter benzin fűtőértéke 31,45 MJ, 3 liter vízé pedig 36,1 MJ. A víz rezgőégését figyelembe véve azonban, amikor is a k_zpe = 16-tal, ez az érték 36,1 * 16 = 577,6 MJ-ra nő. A benzin/víz fűtőértékeinek aránya tehát 31,45 / 577,6 = 1 / 18 = 0,055.

Számoljunk azonban kissé pesszimistábban. Vegyük úgy, hogy 1 liter benzinhez csak 1 liter vizet adagolunk. Ekkor a fűtőértékek aránya a következőképpen módosul: 31,45 / 192,48 = 1 / 6 = 0,16.

Ahhoz, hogy meg tudjuk határozni pontosan a szükséges víz és hidrogénmennyiséget, először ismernünk kell a motor teljesítményét. Egy 45 LE-s motor egy óra alatt végzett folyamatos munkája 119,16 MJ. Ha a motor hatásfokát 33 %-osnak vesszük, akkor az üzemanyag szükséges fűtőértéke 119,16 * 3 = 357,48 MJ.

Azt is meghatároztuk, hogy a víz/hidrogén fűtőérték aránya 6/1, azaz 6 fűtőérték-egységnyi víz és 1 fűtőérték-egységnyi hidrogénra van szükségünk. Ez azt jelenti, hogy a szükséges 357,48 MJ energiának a 7-ed részét, vagyis 357,48 / 7 = 51,06 MJ-t a hidrogén szolgáltatja, a fennmaradó 357,48 - 51,06 = 306,42 MJ energiát pedig a víz.

A 2. táblázatban kiszámoltuk, hogy 1 liter hidrogén fűtőértéke a k_zpe-t is figyelembe véve 0,1562 MJ, a szükséges 51,06 MJ-t tehát 51,06 / 0,1562 = 326,89 liter/óra hidrogén elégetésével érhetjük el.

A pár sorral feljebb említett 45 LE-t egy 1000 cm3-es motor tudja leadni a maximális kb. 5000 / perces fordulatszámon. Ez azt jelenti, hogy 1 perc alatt 326,89 / 60 = 5,45 liter/perc hidrogént, egy szívási ütemben pedig 326,89 / (60*5000/2) = 0,00218 liter = 2,18 cm3 hidrogént kell adagolnunk. De vajon ennyi hidrogén elegendő-e arra, hogy a motort meghajtsa még anélkül, hogy hozzáadtuk volna a vizet. Erre a válasz egyértelműen igen, ezt már az egyik Olvasó, István igazolta a Honda motorján végzett kísérlettel, ahol ennek a mennyiségnek a 2/3-ával is ment a motor.

A szükséges víz mennyiségének meghatározásához induljunk ki abból, hogy annak 306,42 MJ fűtőértékkel kell rendelkeznie. 1 liter víznek a k_zpe-t is figyelembe vevő fűtőértéke 192,48 MJ, a nekünk szükséges 306,42 MJ energiát tehát 306,42 / 192,48 = 1,59 liter/óra vízből nyerhetjük ki. Ez percenként 1,59 / 60 = 0,0265 liter = 26,5 ml, az egy szívási ütemben adagolt mennyiség pedig 1,59 / (60*5000/2) = 0,000106 liter = 0,106 ml.

Ez nagyon kis vízmennyiség, ezért a precízebb adagolás érdekében a vizet ajánlatos porlasztani. Ehhez például ultrahangos párásító készüléket használhatunk, vagy a vizet felmelegítve azt gőzként adagolhatjuk. Ez utóbbi megoldás azért előnyösebb, mert azáltal, hogy a befecskendezett víz már magasabb hőmérsékletű, a további melegítéshez kevesebb hidrogéngázt kell elégetnünk. A víz gőzzé alakításához a motor hőjét hasznosíthatjuk, vagy egyszerűen visszavezetjük a kipufogógázt, ami a vízautónál forró vízgőz, oxigén és NOx. Ez a vízfogyasztást is lecsökkenti a harmadára vagy akár az ötödére, attól függően, hogy a kipufogóban lévő vízgőz hány százalékát tudjuk újrahasznosítani.

A vízgőz kezdő hőmérsékletét azonban nem növelhetjük túlságosan, mivel figyelembe kell vennünk a hidrogén öngyulladási hőmérsékletét is. Erről már szó volt a hidrogénmotoroknál, ahol a következő egyenlettel találkoztál:

T2 = T1 * (V1/V2)(g-1)

ahol:

V1 / V2 = Nyomásarány (általában 8 vagy 9)

T1 = Abszolút kezdőhőmérséklet

T2 = Abszolút véghőmérséklet (a hidrogén öngyulladási hőmérséklete 575 °C)

g = Hőarány (hidrogénnél 1,4)

Ebből kifejezhetjük T1-et:

T1 = T2 / [ (V1/V2)(g-1) ]

T1 = 575/[(9/1)(1,4-1)]= 239 °C

Ez a 239 °C-os hőmérséklet a hidrogén maximálisan megengedett hőmérséklete a sűrítés megkezdése előtt. A befecskendezett vízgőz természetesen valamennyire felmelegíti a hidrogén-levegő keveréket, ennek pontos értékéhez azonban ismerni kellene a víz és a hidrogén hőátadási együtthatóját, amit eddig nem találtam sehol. Ezért ezt megint csak tapasztalati úton kell meghatározni. Azt azonban biztosan mondhatjuk, hogy ha a vízgőz hőmérséklete alacsonyabb lesz 239 °C-nál, akkor a hidrogéngázt is csak ennél alacsonyabb hőmérsékletre melegíti fel. Ha a vízgőz hőmérsékletét maximum 200 °C-nak vesszük, akkor még egészen biztosak lehetünk abban, hogy nem gyullad be magától a hidrogéngáz a sűrítési ütem közben.

 

 

A hatásfokról

Van még egy érdekes kérdés, amit meg kell vizsgálnunk, ez pedig az egész rendszer hatásfoka. A hatásfokot úgy határozzuk meg, hogy a rendszer kimentéről levehető teljesítményt elosztjuk a bemenetére vezetett teljesítménnyel.

h = Pki / Pbe

De mivel a vízautónál már az ingyenenergiát is megcsapoljuk, ezért itt egy kicsit másként kell számolnunk. A motor égésterében keletkező hőenergiának csak kb. 25-40 %-át tudjuk hasznosítani. Számoljunk átlagosan 30 %-os hatásfokkal, azaz h_motor = 0,3-el.

Az elektrolizáló hatásfoka nagyon fontos tényező számunkra, minél jobb a hatásfoka, annál kevesebb energiával tudunk ugyanannyi hidrogént előállítani. Erről bővebben a következő oldalakon lesz szó. Az elektrolizáló hatásfokát nevezzük h_e-nek.

Az elektrolizáló műküdtetéséhez szükséges áramot - az autó indítási szakaszát figyelmen kívül hagyva - a generátor biztosítja. A generátor hatásfoka h_g azonban szintén kisebb 1-nél, ezt vegyük 0,7-nek.

Az előállított hidrogén elégetése során a fentebb már ismertetett rezgőégés jön létre, azaz a hidrogén energiájának a k_zpe-szorosát, vagyis jelen feltételezéseink szerint kb. 16-szorosát tudjuk felhasználni. A víz "elégetése" során szintén ezzel a k_zpe = 16 értékkel számolhatunk.

Összegezve tehát azt kapjuk, hogy a motorból kinyert hasznos energia:

E_motor_hs = E_motor_be * h_m

A bevezetett energiát a következő képlettel számíthatjuk ki:

E_motor_be = (E_hidr * k_zpe) + (E_víz * k_zpe)

E_motor_be = (E_hidr + E_víz) * k_zpe

A hidrogén előállításához szükséges energia:

E_hidr = E_áram * h_e

A motorba vezetett energia értéke ezek szerint:

E_motor_be = [(E_áram*h_e)+E_víz]*k_zpe

A motorból kivehető hasznos energia tehát:

E_motor_hs = [(E_áram*h_e)+E_víz]*k_zpe*h_m

Mivel azonban a motor hasznosítható energiájának egy részét a hidrogén előállítására használjuk, ezért a mozgási munkára fordított energia még csökkenni fog.

E_mozg = E_motor_hs - (E_áram/h_g)

E_mozg = [(E_áram*h_e)+E_víz]*k_zpe*h_m - (E_áram/h_g)

vagy:

E_mozg = [E_hidr + E_víz]*k_zpe*h_m - (E_áram/h_g)

Végezzünk el egy próbaszámítást a fentebb meghatározott adatok alapján. A motorunk 1000 cm3-es, ebből tudjuk, hogy 5000/perces fordulatszámon 5,45 liter/perc hidrogént és 26,5 ml/perc vizet kell beadagolnunk a hengerekbe. Mivel az eddigi kísérleti eredmények szerint 51,90 ml/perc/amperes gáztermelést értünk el, ezért a szükséges 5,45 liter hidrogén előállításához 5450 / 51,9 = 105 A áramra van szükségünk. Ehhez 12 V-os akkumulátort (illetve generátort) használunk, tehát a felvett teljesítmény 105 * 12 = 1260 W = 1,26 kW, az egy óra alatt felhasznált energia pedig 1,26 * 3,6 * 106 = 4,536 MJ. Az egy óra alatt elégetett hidrogéngáz mennyisége 5,45 * 60 = 327 liter, aminek súlya 327 * 0,09 = 29,43 g = 0,02943 kg. A 0,02943 kg súlyú hidrogén fűtőértéke 0,02943 * 119,59 * 106 = 3,52 MJ (a k_zpe nélkül)

Az elektrolizáló hatásfoka tehát h_e = 3,52 / 4,536 = 0,78 => 78 %.

Az egy óra alatt beadagolt víz mennyisége 26,5 * 60 = 1590 ml = 1590 g. Tudjuk azt is, hogy 1 gramm víz 1,23 liter hidrogént tartalmaz, 1590 g pedig 1590 * 1,23 = 1955,7 litert. Az is ismeretes, hogy 1 liter hidrogén fűtőértéke 0,00978 MJ, így kiszámíthatjuk, hogy 1955,7 liter hidrogén 1955,7 * 0,00978 * 106 = 19,13 MJ fűtőértékkel rendelkezik (a k_zpe nélkül).

Ezen adatok alapján már kiszámíthatjuk, hogy mekkora mozgási energiával rendelkezik az autónk motorja.

E_mozg = [(E_áram*h_e)+E_víz]*k_zpe*h_m - (E_áram/h_g)

E_mozg = [3,52 + 19,13]*16*0,3 - 4,536/0,7

E_mozg = 108,72 MJ - 6,48 MJ

E_mozg = 102,24 MJ = 28,4 kWh = 38,61 LEh

A rendszer hatásfoka ezek szerint:

h = E_motor_hs / (E_áram/h_g)

h = 108,72 / 6,48 = 16,77 => 1677 %

Ezt vessük össze a benzin elégetésekor elérhető 30 %-kal. Az itt bemutatott számítások alapján tehát a vízautó működőképes.

 

A következő táblázatban megadhatod, hogy mekkora a motor térfogata, mi legyen a legkisebb és a legnagyobb fordulatszám, milyen (fordulatszám) lépésközzel szeretnéd a fogyasztást megkapni, mekkora a motor hatásfoka és milyen a víz újrahasznosításának a hatásfoka. Ha az újrahasznosítási hatásfok nulla, akkor nyílt rendszert alkalmazunk, azaz a kipufogóból a vizet nem használjuk fel újból. Az újrahasznosítási hatásfok a 90 %-ot sem haladhatja meg, mivel bizonyos veszteségekkel mindenképpen kell számolnunk. Eredményként az adott fordulatszámhoz tartozó percenkénti hidrogén- és vízszükségletet kapjuk. A vízfogyasztást két részre osztva láthatod: az első oszlopban azt a vízmennyiséget láthatod, amit a hengerekbe kell fecskendezni, ez bomlik ott le a nagy hő hatására hidrogénra és oxigénra. A második oszlopban pedig a normál elektrolízis során felhasznált vízmennyiséget láthatod. Ebből a vízből lesz a "Hidrogéngáz" oszlopban feltűntetett mennyiségű hidrogén.

 

Térfogat
Min.ford.
Max.ford
Lépésköz
h- motor
h- víz újra
cm3
/perc
/perc
%
%
Fordulatszám
Hidrogéngáz
Víz
hengerbe
elektrolízishez
750 /perc   613 ml/perc  0.099 ml/perc    0.498 ml/perc   
1000 /perc   1090 ml/perc  0.176 ml/perc    0.886 ml/perc   
1250 /perc   1703 ml/perc  0.276 ml/perc    1.384 ml/perc   
1500 /perc   2452.5 ml/perc  0.397 ml/perc    1.993 ml/perc   
1750 /perc   3338 ml/perc  0.541 ml/perc    2.713 ml/perc   
2000 /perc   4360 ml/perc  0.706 ml/perc    3.544 ml/perc   
2250 /perc   5518 ml/perc  0.894 ml/perc    4.486 ml/perc   
2500 /perc   6812.5 ml/perc  1.104 ml/perc    5.538 ml/perc   
2750 /perc   8243 ml/perc  1.336 ml/perc    6.701 ml/perc   
3000 /perc   9810 ml/perc  1.589 ml/perc    7.975 ml/perc   
3250 /perc   11513 ml/perc  1.866 ml/perc    9.360 ml/perc   
3500 /perc   13352.5 ml/perc  2.164 ml/perc    10.855 ml/perc   
3750 /perc   15328 ml/perc  2.484 ml/perc    12.461 ml/perc   
4000 /perc   17440 ml/perc  2.826 ml/perc    14.178 ml/perc   
4250 /perc   19688 ml/perc  3.191 ml/perc    16.006 ml/perc   
4500 /perc   22072.5 ml/perc  3.577 ml/perc    17.945 ml/perc   
4750 /perc   24593 ml/perc  3.986 ml/perc    19.994 ml/perc   
5000 /perc   27250 ml/perc  4.416 ml/perc    22.154 ml/perc   

3.táblázat. A hidrogén- és vízfogyasztás kiszámítása a térfogat és a fordulatszám függvényében

 

Kapcsolódó kísérletek:

 

 

Megjegyzés: Az itt bemutatott számítások nagy része ugyan gyakorlati tapasztalatok és elméleti ismeretek alapján lett elvégezve, de a tényleges hidrogén- és vízszükségletet csak a gyakorlati tapasztalat adja meg. Ezért arra kérlek, hogy Te is bátran kísérletezzél és az eredményeidet oszd meg velünk.

 

   

 

 

 

 

Mennyi vízre és hidrogéngázra van szükség a vízautó meghajtásához? 

 

 

 

 

Asztali nézet