Криогенное топливо - это топливо, которое необходимо хранить при крайне низких температурах, чтобы поддерживать его в жидком состоянии. Эти виды топлива используются в оборудовании, которое работает в космосе (например, на ракетных кораблях и спутниках), где обычное топливо не может быть использовано из-за очень низких температур, часто встречающихся в космосе, и отсутствия окружающей среды, поддерживающей горение (на Земле кислород в изобилии в атмосфере, тогда как космос, доступный для исследования человеком, представляет собой вакуум, в котором кислород практически отсутствует). Криогенное топливо чаще всего представляет собой сжиженные газы, такие как жидкий водород .
В некоторых ракетных двигателях используется регенеративное охлаждение - практика циркуляции криогенного топлива вокруг форсунок до того, как топливо будет закачано в камеру сгорания и воспламеняется. Такое расположение было впервые предложено Ойгеном Зенгером в 1940-х годах. Ракета Сатурн V, которая отправила первые пилотируемые миссии на Луну, использовала этот элемент дизайна, который используется до сих пор.
Довольно часто жидкий кислород ошибочно называют криогенным топливом , хотя на самом деле это окислитель, а не топливо. [ Править ] топливо представляет собой любой материал , который может быть сделан , чтобы вступать в реакцию с другими веществами , так что она высвобождает энергию в виде тепловой энергии , или для использования в работе. Кислород соответствует этому определению, но из-за его повсеместности и отсутствия необходимости возить его (для большинства приложений) вам все равно нужно называть его окислителем, а не топливом.
Российский производитель самолетов Туполев разработал версию своего популярного Ту-154, но с криогенной топливной системой, получившую обозначение Ту-155 . Первый полет на сжиженном природном газе (СПГ) состоялся в 1989 году.
Операция
Криогенное топливо можно разделить на две категории: инертное и легковоспламеняющееся или горючее. Оба типа используют большое объемное отношение жидкости к газу, которое возникает при переходе жидкости в газовую фазу. Возможность использования криогенного топлива связана с так называемым высоким массовым расходом. [1] При регулировании энергия высокой плотности криогенного топлива используется для создания тяги в ракетах и контролируемого расхода топлива. В следующих разделах представлены более подробные сведения.
Инертный
Эти типы топлива обычно используют регулирование производства и расхода газа для приведения в действие поршней в двигателе. Контролируются большие повышения давления, которые направляются к поршням двигателя. Поршни перемещаются за счет механической энергии, преобразуемой в результате контролируемого производства газообразного топлива. Яркий пример можно увидеть в жидкостном летательном аппарате Питера Дирмана . Некоторые распространенные инертные виды топлива включают:
Горючие
Эти виды топлива используют полезные криогенные свойства жидкости наряду с легковоспламеняющейся природой вещества в качестве источника энергии. Эти виды топлива известны прежде всего тем, что они используются в ракетах . Некоторые распространенные горючие виды топлива включают:
- Жидкий водород
- Сжиженный природный газ ( СПГ )
- Жидкий метан
Сгорание двигателя
Горючие криогенные топлива более полезны, чем большинство инертных видов топлива. Сжиженный природный газ, как и любое другое топливо, воспламеняется только при правильном смешивании с нужным количеством воздуха. Что касается СПГ, большая часть эффективности зависит от метанового числа, которое является газовым эквивалентом октанового числа. [2] Это определяется на основе содержания метана в сжиженном топливе и любом другом растворенном газе и изменяется в результате экспериментальной эффективности. [2] Максимальное повышение эффективности двигателей внутреннего сгорания будет результатом определения надлежащего отношения топлива к воздуху и использования дополнительных углеводородов для оптимального сгорания.
Эффективность производства
За последние десятилетия процессы сжижения газа улучшились с появлением более совершенного оборудования и контроля потерь тепла в системе. Типичные методы используют преимущество температуры газа, резко охлаждающего, когда регулируемое давление газа сбрасывается. Достаточное повышение давления и последующий сброс давления могут привести к сжижению большинства газов, как показано на примере эффекта Джоуля-Томсона . [3]
Сжиженный природный газ
Несмотря на то, что сжижение природного газа для хранения, транспортировки и использования является рентабельным, во время этого процесса потребляется от 10 до 15 процентов газа. [4] Оптимальный процесс включает четыре стадии охлаждения пропана и две стадии охлаждения этилена. Может быть добавление дополнительной ступени хладагента , но дополнительные затраты на оборудование экономически не оправданы. [ необходима цитата ] Эффективность может быть связана с каскадными процессами чистых компонентов, которые сводят к минимуму общую разницу температур от источника к поглотителю, связанную с конденсацией хладагента. Оптимизированный процесс включает в себя оптимизированную рекуперацию тепла и использование чистых хладагентов. Все разработчики технологических процессов заводов сжижения, использующие проверенные технологии, сталкиваются с одной и той же задачей: эффективно охлаждать и конденсировать смесь с помощью чистого хладагента. В оптимизированном каскадном процессе охлаждаемая и конденсируемая смесь является сырьевым газом. В процессах со смешанным хладагентом пропана две смеси, требующие охлаждения и конденсации, - это подаваемый газ и смешанный хладагент. Главный источник неэффективности заключается в линии теплообмена во время процесса сжижения. [5]
Преимущества и недостатки
Преимущества
- Криогенное топливо экологически чище, чем бензин или ископаемое топливо . Среди прочего, уровень выбросов парниковых газов может быть снижен на 11–20% при использовании СПГ вместо бензина при транспортировке товаров. [6]
- Наряду с их экологически чистым характером, они обладают потенциалом для значительного снижения затрат на транспортировку продуктов внутреннего плавания из-за их изобилия по сравнению с ископаемым топливом. [6]
- Криогенное топливо имеет более высокий массовый расход, чем ископаемое топливо, и поэтому создает большую тягу и мощность при сжигании для использования в двигателе. Это означает, что двигатели будут работать дальше на меньшем количестве топлива, чем современные газовые двигатели . [7]
- Криогенное топливо не загрязняет окружающую среду и поэтому в случае его разлива не представляет опасности для окружающей среды. После разлива опасные отходы убирать не нужно. [8]
Возможные недостатки
- Некоторые криогенные виды топлива, такие как СПГ, горючи естественным образом. Возгорание пролитого топлива может привести к сильному взрыву. Это возможно в случае аварии с двигателем, работающим на СПГ. [8]
- Резервуары для криогенного хранения должны выдерживать высокое давление. Для топливных баков высокого давления требуются более толстые стенки и более прочные сплавы, которые утяжеляют баки транспортного средства, тем самым снижая производительность.
- Несмотря на нетоксичность , криогенное топливо плотнее воздуха. Как таковые, они могут привести к удушью . В случае утечки жидкость превратится в очень плотный холодный газ и при вдыхании может быть смертельным. [9]
Смотрите также
- Криогенный ракетный двигатель
- Жидкое ракетное топливо
- Туполев Ту-244
Рекомендации
- ^ Biblarz, Оскар; Саттон, Джордж Х. (2009). Элементы силовой установки ракеты . Нью-Йорк: Вили. п. 597 . ISBN 978-0-470-08024-5.
- ^ а б Эйвинд Бухауг (2011-09-21). «Характеристики горения СПГ» (PDF) . Топливный форум СПГ .
- ^ Журнал Нефть и Газ (2002-08-09). «Технологии сжижения СПГ двигаются в сторону большей эффективности и снижения выбросов» .
- ^ Билл Уайт (2012-10-02). «Все, что вам нужно знать о СПГ» . Масляный барабан .
- ^ Велдон Рансбаргер (2007). «Свежий взгляд на эффективность процесса СПГ» (PDF) . Промышленность СПГ . Архивировано из оригинального (PDF) на 24.06.2016 . Проверено 9 декабря 2015 .
- ^ а б «Каковы преимущества СПГ» . 2015. Архивировано из оригинала на 2017-12-04 . Проверено 2 декабря 2015 .
- ^ Рамачандран, Р. (07.02.2014). «Криогенное преимущество» . Линия фронта .
- ^ а б Cryogenic Fuels, Inc. (1991-12-16). «Отчет о характеристиках жидкого метанового топлива и оценке безопасности» (PDF) . Столичное управление транзита . Архивировано из оригинального (PDF) 09.10.2018 . Проверено 2 декабря 2015 .
- ^ Асогекар, Нихил. (2015-12-02). «Криогенные жидкости-опасности» . CCOHS .