Криогенное топливо

Криогенное топливо — это топливо , которое требует хранения при чрезвычайно низких температурах для поддержания его в жидком состоянии. Это топливо используется в машинах, работающих в космосе (например, ракетах и спутниках ), где обычное топливо невозможно использовать из-за очень низких температур, часто встречающихся в космосе, и отсутствия среды, поддерживающей горение (на Земле кислорода много ). 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 .

Некоторые ракетные двигатели используют регенеративное охлаждение — практику циркуляции криогенного топлива вокруг сопел перед тем, как топливо закачивается в камеру сгорания и воспламеняется. Впервые такое расположение было предложено Ойгеном Сенгером в 1940-х годах. Во всех двигателях ракеты «Сатурн-5» , отправившей первые пилотируемые миссии на Луну, использовался этот элемент конструкции, который до сих пор используется для двигателей на жидком топливе.

Довольно часто жидкий кислород ошибочно называют криогенным топливом , хотя на самом деле он является окислителем , а не топливом — как и в любом двигателе внутреннего сгорания только некислородный компонент сгорания , , «топливом» считается хотя это различие условно.

Российский авиастроительный завод Туполев разработал версию своего популярного проекта Ту-154 , но с криогенной топливной системой, получившую обозначение Ту-155 . На топливе, называемом сжиженным природным газом (СПГ), его первый полет состоялся в 1989 году.

Операция

Криогенное топливо можно разделить на две категории: инертное и легковоспламеняющееся или горючее. Оба типа используют большое соотношение объемов жидкости и газа, 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 ракет и контролируемого расхода топлива. В следующих разделах представлена дополнительная информация.

Инертный

В этих типах топлива обычно используется регулирование выработки газа и его подачи на поршни двигателя. Значительное увеличение давления контролируется и направляется к поршням двигателя. Поршни движутся за счет механической энергии, преобразуемой в результате контролируемой добычи газообразного топлива. Яркий пример можно увидеть в Питера Дирмана жидкостном воздушном транспортном средстве . Некоторые распространенные инертные виды топлива включают:

Горючий

В этом топливе в качестве источника энергии используются полезные криогенные свойства жидкости, а также легковоспламеняющаяся природа вещества. Эти виды топлива хорошо известны прежде всего благодаря использованию в ракетах . Некоторые распространенные горючие виды топлива включают:

Жидкий водород
Сжиженный природный газ ( СПГ )
Жидкий метан

Сгорание двигателя

Горючее криогенное топливо предлагает гораздо больше пользы, чем большинство инертных видов топлива. Сжиженный природный газ, как и любое топливо, воспламеняется только при правильном смешивании с нужным количеством воздуха. Что касается СПГ, то большая часть эффективности зависит от метанового числа, которое является газовым эквивалентом октанового числа. ^[2] Это определяется на основе содержания метана в сжиженном топливе и любого другого растворенного газа и варьируется в зависимости от экспериментальной эффективности. ^[2] Максимизация эффективности двигателей внутреннего сгорания будет результатом определения правильного соотношения топлива и воздуха и использования других углеводородов для дополнительного оптимального сгорания.

Эффективность производства

За последние десятилетия процессы сжижения газа совершенствовались с появлением более совершенного оборудования и контроля тепловых потерь в системе. В типичных технологиях используется резкое охлаждение температуры газа по мере сброса контролируемого давления газа. Достаточное повышение давления, а затем последующая разгерметизация могут сжижать большинство газов, примером чего является эффект Джоуля-Томсона . ^[3]

Сжиженный природный газ

Хотя сжижение природного газа для хранения, транспортировки и использования экономически выгодно, во время этого процесса расходуется примерно 10–15 процентов газа. ^[4] Оптимальный процесс включает четыре стадии охлаждения пропаном и две стадии охлаждения этиленом. Возможно добавление дополнительной ступени хладагента , но дополнительные затраты на оборудование экономически не оправданы. ^{[ нужна ссылка ]} Эффективность может быть связана с каскадными процессами чистых компонентов, которые сводят к минимуму общую разницу температур между источником и поглотителем, связанную с конденсацией хладагента. Оптимизированный процесс включает оптимизированную рекуперацию тепла и использование чистых хладагентов. Все проектировщики заводов по сжижению газа, использующие проверенные технологии, сталкиваются с одной и той же задачей: эффективно охладить и конденсировать смесь чистым хладагентом. В оптимизированном каскадном процессе смесь, подлежащая охлаждению и конденсации, является сырьевым газом. В процессах со смешанным хладагентом пропана две смеси, требующие охлаждения и конденсации, — это сырьевой газ и смешанный хладагент. Главный источник неэффективности заключается в теплообменной системе во время процесса сжижения. ^[5]

Преимущества и недостатки

Преимущества

Криогенное топливо экологически чище, чем бензин или ископаемое топливо . Среди прочего, уровень выбросов парниковых газов потенциально может быть снижен на 11–20% при использовании СПГ вместо бензина при транспортировке грузов. ^[6]
Наряду с их экологически чистым характером, они обладают потенциалом значительно снизить затраты на транспортировку внутренних продуктов из-за их изобилия по сравнению с ископаемым топливом. ^[6]
Криогенное топливо имеет более высокий массовый расход, чем ископаемое топливо, и поэтому при сгорании обеспечивает большую тягу и мощность для использования в двигателе. Это означает, что двигатели будут работать дальше, потребляя меньше 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 не потребуется убирать опасные отходы. ^[8]

Потенциальные недостатки

Некоторые криогенные виды топлива, такие как СПГ, являются горючими по своей природе. Возгорание разлитого топлива может привести к сильному взрыву. Это возможно в случае аварии автомобиля с двигателем СПГ. ^[8]
Криогенные резервуары для хранения должны выдерживать высокое давление. высокого давления Для топливных баков требуются более толстые стенки и более прочные сплавы, что утяжеляет баки транспортных средств и тем самым снижает производительность.
Несмотря на нетоксичность , криогенное топливо плотнее воздуха. Таким образом, они могут привести к удушью . В случае утечки жидкость превратится в очень плотный холодный газ, а вдыхание может привести к летальному исходу. ^[9]

См. также

Ссылки

^ Библарц, Оскар; Саттон, Джордж Х. (2009). Элементы ракетного движения . Нью-Йорк: Уайли. п. 597 . ISBN 978-0-470-08024-5 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Ойвинд Бухауг (21 сентября 2011 г.). «Характеристики сгорания СПГ» (PDF) . Топливный форум СПГ . Архивировано (PDF) из оригинала 22 декабря 2012 г. Проверено 9 декабря 2015 г.
^ Журнал «Нефть и газ» (9 августа 2002 г.). «Технологии сжижения СПГ движутся в сторону большей эффективности и снижения выбросов» . Архивировано из оригинала 30 июня 2016 г. Проверено 9 декабря 2015 г.
^ Билл Уайт (2 октября 2012 г.). «Все, что вам нужно знать о СПГ» . Нефтяной барабан . Архивировано из оригинала 29 августа 2019 г. Проверено 9 декабря 2015 г.
^ Велдон Рансбаргер (2007). «Свежий взгляд на эффективность процесса СПГ» (PDF) . СПГ-индустрия . Архивировано из оригинала (PDF) 24 июня 2016 г. Проверено 9 декабря 2015 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б «Каковы преимущества СПГ» . 2015. Архивировано из оригинала 4 декабря 2017 г. Проверено 2 декабря 2015 г.
^ Рамачандран, Р. (7 февраля 2014 г.). «Криогенное преимущество» . Линия фронта . Архивировано из оригинала 29 марта 2014 г. Проверено 2 декабря 2015 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Cryogenic Fuels, Inc. (16 декабря 1991 г.). «Отчет о характеристиках и оценке безопасности жидкого метанового топлива» (PDF) . Столичное транспортное управление . Архивировано из оригинала (PDF) 9 октября 2018 г. Проверено 2 декабря 2015 г.
^ Асогекар, Нихил. (02.12.2015). «Криогенные жидкости – опасности» . CCOHS . Архивировано из оригинала 25 сентября 2019 г. Проверено 2 декабря 2015 г.

[isbn0-470-08024-8-1] Библарц, Оскар; Саттон, Джордж Х. (2009). Элементы ракетного движения . Нью-Йорк: Уайли. п. 597 . ISBN 978-0-470-08024-5 .

[Statoil_LNG_Combustion-2] Перейти обратно: ^а ^б Ойвинд Бухауг (21 сентября 2011 г.). «Характеристики сгорания СПГ» (PDF) . Топливный форум СПГ . Архивировано (PDF) из оригинала 22 декабря 2012 г. Проверено 9 декабря 2015 г.

[LNG_Liquefaction-3] Журнал «Нефть и газ» (9 августа 2002 г.). «Технологии сжижения СПГ движутся в сторону большей эффективности и снижения выбросов» . Архивировано из оригинала 30 июня 2016 г. Проверено 9 декабря 2015 г.

[LNG_Need_to_Know-4] Билл Уайт (2 октября 2012 г.). «Все, что вам нужно знать о СПГ» . Нефтяной барабан . Архивировано из оригинала 29 августа 2019 г. Проверено 9 декабря 2015 г.

[LNG_Plant_Efficiency-5] Велдон Рансбаргер (2007). «Свежий взгляд на эффективность процесса СПГ» (PDF) . СПГ-индустрия . Архивировано из оригинала (PDF) 24 июня 2016 г. Проверено 9 декабря 2015 г.

[What_are_the_Benefits_of_LNG-6] Перейти обратно: ^а ^б «Каковы преимущества СПГ» . 2015. Архивировано из оригинала 4 декабря 2017 г. Проверено 2 декабря 2015 г.

[Cryo_basics-7] Рамачандран, Р. (7 февраля 2014 г.). «Криогенное преимущество» . Линия фронта . Архивировано из оригинала 29 марта 2014 г. Проверено 2 декабря 2015 г.

[Methane_Fuel-8] Перейти обратно: ^а ^б Cryogenic Fuels, Inc. (16 декабря 1991 г.). «Отчет о характеристиках и оценке безопасности жидкого метанового топлива» (PDF) . Столичное транспортное управление . Архивировано из оригинала (PDF) 9 октября 2018 г. Проверено 2 декабря 2015 г.

[Canadian_Centre_for_Occupational_Health_&_Safety-9] Асогекар, Нихил. (02.12.2015). «Криогенные жидкости – опасности» . CCOHS . Архивировано из оригинала 25 сентября 2019 г. Проверено 2 декабря 2015 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]