Двигатель на жидком азоте

Двигатель с жидким азотом питается от жидкого азота , который хранится в баке. Традиционные конструкции азотных двигателей работают путем нагревания жидкого азота в теплообменнике , извлечения тепла из окружающего воздуха и использования полученного сжатого газа для приведения в действие поршневого или роторного двигателя. Были продемонстрированы транспортные средства, приводимые в движение жидким азотом, но они не используются в коммерческих целях. Одно такое транспортное средство, Liquid Air , было продемонстрировано в 1902 году.

Двигательная установка на жидком азоте также может быть включена в гибридные системы, например, аккумуляторную электрическую двигательную установку и топливные баки для подзарядки батарей. Такая система называется гибридной жидким азотом и электрической силовой установкой. Кроме того, рекуперативное торможение в сочетании с этой системой также можно использовать .

Одним из преимуществ автомобилей с жидким азотом является то, что выхлопные газы представляют собой просто азот, компонент воздуха, и, таким образом, они не вызывают локального загрязнения воздуха выбросами из выхлопной трубы. Это не делает его полностью свободным от загрязнения, поскольку для сжижения азота в первую очередь требовалась энергия, но этот процесс сжижения может быть отдален от работы транспортного средства и в принципе может питаться от возобновляемых источников энергии или экологически чистого источника энергии .

Описание

Жидкий азот генерируется криогенным или обращенным двигателем Стирлинга. ^[1]^[2]^[3] охладители, сжижающие основной компонент воздуха – азот (N ₂ ). Охладитель может работать от электричества или за счет прямой механической работы от гидро или ветряные турбины . Жидкий азот распределяется и хранится в изолированных контейнерах . Изоляция уменьшает поток тепла в хранящийся азот; это необходимо, поскольку тепло окружающей среды приводит к кипению жидкости, которая затем переходит в газообразное состояние. Уменьшение притока тепла снижает потери жидкого азота при хранении. Требования хранения не позволяют использовать трубопроводы как средство транспорта. Поскольку трубопроводы на большие расстояния будут дорогостоящими из-за требований к изоляции, использование удаленных источников энергии для производства жидкого азота будет дорогостоящим. Запасы нефти обычно находятся на огромном расстоянии от места потребления, но их можно транспортировать при температуре окружающей среды.

Потребление жидкого азота по сути является обратным производством. Двигатель Стирлинга или криогенный тепловой двигатель предлагает способ приведения в движение транспортных средств и средства для выработки электроэнергии. Жидкий азот также может служить непосредственным хладагентом для холодильников , электрооборудования и кондиционеров . Потребление жидкого азота фактически означает его кипение и возврат азота в атмосферу .

В двигателе Дирмана азот нагревается путем объединения его с теплообменной жидкостью внутри цилиндра двигателя. ^[4]^[5]

В 2008 году Патентное ведомство США выдало патент на газотурбинный двигатель, работающий на жидком азоте. ^[6] Турбина мгновенно расширяет жидкий азот, который распыляется в секцию высокого давления турбины, а расширяющийся газ объединяется с поступающим сжатым воздухом для создания высокоскоростного потока газа, который выбрасывается из задней части турбины. Полученный поток газа можно использовать для привода генераторов или других устройств. Система не была продемонстрирована для питания электрогенераторов мощностью более 1 кВт. ^[7] однако возможна более высокая производительность.

Цикл Карно

Хотя температура жидкого азота ниже температуры окружающей среды, двигатель на жидком азоте, тем не менее, является примером теплового двигателя . Тепловой двигатель работает за счет извлечения тепловой энергии из разницы температур между горячим и холодным резервуаром; в случае двигателя с жидким азотом «горячим» резервуаром является воздух окружающей среды («комнатной температуры»), который используется для кипячения азота.

Таким образом, азотный двигатель извлекает энергию из тепловой энергии воздуха, а эффективность преобразования, с которой он преобразует энергию, может быть рассчитана на основе законов термодинамики с использованием эффективности Карно уравнения , которое применимо ко всем тепловым двигателям.

Танки

Резервуары для хранения жидкого азота должны быть спроектированы в соответствии со стандартами безопасности, подходящими для сосудов под давлением , например, ISO 11439 . ^[8]

Резервуар для хранения может быть изготовлен из:

сталь
алюминий
углеродное волокно
Кевлар
другие материалы или комбинации вышеперечисленного.

Волокнистые материалы значительно легче металлов, но, как правило, дороже. Металлические резервуары могут выдерживать большое количество циклов давления, но их необходимо периодически проверять на предмет коррозии. Жидкий азот LN2 обычно транспортируется в изолированных цистернах емкостью до 50 литров при атмосферном давлении. Эти цистерны, будучи негерметичными, проверке не подлежат. Очень большие резервуары для LN2 иногда находятся под давлением менее 25 фунтов на квадратный дюйм, чтобы облегчить перекачку жидкости в месте использования.

Автомобили с жидким азотом

Транспортное средство Liquid Air , приводившееся в движение жидким азотом , было продемонстрировано в 1902 году.

В июне 2016 года в Лондоне начнутся судебные разбирательства. ^{[ временные рамки? ]}, Великобритания. Парк транспортных средств для доставки еды супермаркета J. Sainsbury: использование азотного двигателя Dearman для обеспечения охлаждения пищевых грузов, когда транспортное средство неподвижно и главный двигатель выключен. В настоящее время грузовые автомобили в основном имеют вторые дизельные двигатели меньшего размера для принудительного охлаждения при выключенном основном двигателе. ^[9]

Выход выбросов

Как и другие технологии хранения энергии без сжигания, автомобиль с жидким азотом перемещает источник выбросов из выхлопной трубы автомобиля в центральную электростанцию. При наличии источников без выбросов чистое производство загрязняющих веществ может быть сокращено. Меры по контролю выбросов на центральной электростанции могут быть более эффективными и менее затратными, чем очистка выбросов широко рассредоточенных транспортных средств.

Преимущества

Транспортные средства с жидким азотом во многом сравнимы с электромобилями , но для хранения энергии вместо батарей используется жидкий азот. Их потенциальные преимущества перед другими транспортными средствами включают в себя:

Как и электромобили, автомобили с жидким азотом в конечном итоге будут питаться от электрической сети, что позволит легче сосредоточиться на сокращении загрязнения из одного источника, а не миллионов транспортных средств на дорогах.
Транспортировка топлива не потребуется из-за отключения электроэнергии от электрической сети. Это дает значительную экономическую выгоду. Загрязнение, возникающее при транспортировке топлива, будет устранено.
Снижение затрат на техническое обслуживание
Резервуары с жидким азотом можно утилизировать или переработать с меньшим загрязнением, чем батареи.
Транспортные средства с жидким азотом не ограничены проблемами деградации, связанными с современными аккумуляторными системами.
Бак можно будет заправлять чаще и за меньшее время, чем аккумуляторы, при этом скорость заправки будет сопоставима с расходом жидкого топлива.
Он может работать как часть трансмиссии комбинированного цикла в сочетании с бензиновым или дизельным двигателем, используя отходящее тепло одного двигателя для запуска другого в турбокомпаундной системе. Он может даже работать как гибридная система.

Недостатки

Принципиальным недостатком является неэффективное использование первичной энергии. Энергия используется для сжижения азота, который, в свою очередь, обеспечивает энергию для работы двигателя. Любое преобразование энергии имеет потери. В автомобилях с жидким азотом электрическая энергия теряется в процессе сжижения азота.

Жидкий азот недоступен на общественных заправочных станциях; однако у большинства поставщиков сварочного газа имеются системы распределения, а жидкий азот является обильным побочным продуктом производства жидкого кислорода.

Критика

Стоимость продукции

Производство жидкого азота – энергоемкий процесс. В настоящее время практические холодильные установки, производящие несколько тонн жидкого азота в день, работают с КПД Карно около 50% . ^[10] В настоящее время излишки жидкого азота производятся как побочный продукт при производстве жидкого кислорода . ^[4]

Плотность энергии жидкого азота

Любой процесс, основанный на фазовом переходе вещества, будет иметь гораздо более низкую плотность энергии , чем процессы, связанные с химической реакцией в веществе, которые, в свою очередь, имеют более низкую плотность энергии, чем ядерные реакции. Жидкий азот как накопитель энергии имеет низкую плотность энергии. Жидкое углеводородное топливо, напротив, имеет высокую плотность энергии. Высокая плотность энергии делает логистику транспортировки и хранения более удобной. Удобство является важным фактором потребительского признания. Удобное хранение нефтяного топлива в сочетании с его низкой стоимостью привело к непревзойденному успеху. Кроме того, нефтяное топливо является первичным источником энергии , а не просто средством хранения и транспортировки энергии.

Плотность энергии, получаемая из изобарной теплоты испарения азота и удельной теплоемкости в газообразном состоянии, которую теоретически можно реализовать из жидкого азота при атмосферном давлении и температуре окружающей среды 27 °C, составляет около 213 ватт-часов на килограмм (Вт·ч/кг). , хотя в реальных условиях обычно можно достичь только 97 Вт·ч/кг. Для сравнения: 100–250 Вт·ч/кг для литий-ионной батареи и 3000 Вт·ч/кг для бензинового двигателя внутреннего сгорания, работающего с тепловым КПД 28% , что в 14 раз превышает плотность жидкого азота, используемого при эффективности Карно. ^[11]

Чтобы двигатель изотермического расширения имел запас хода, сравнимый с двигателем внутреннего сгорания, требуется изолированный бортовой резервуар емкостью 350 литров (92 галлона США). ^[11] Практичный объем, но заметно больше по сравнению с обычным бензобаком емкостью 50 литров (13 галлонов США). Добавление более сложных энергетических циклов уменьшит это требование и поможет обеспечить работу без замерзания. Однако коммерчески практических примеров использования жидкого азота для приведения в движение транспортных средств не существует.

Образование инея

В отличие от двигателей внутреннего сгорания, использование криогенного рабочего тела требует наличия теплообменников для нагрева и охлаждения рабочего тела. Во влажной среде образование инея будет препятствовать потоку тепла и, таким образом, представляет собой инженерную проблему. Чтобы предотвратить образование инея, можно использовать несколько рабочих жидкостей. Это добавляет циклы долива, чтобы гарантировать, что теплообменник не упадет ниже нуля. Для обеспечения работы без замерзания потребуются дополнительные теплообменники, вес, сложность, потеря эффективности и затраты. ^[11]

Безопасность

Какой бы эффективной ни была изоляция топливного бака с азотом, неизбежно будут потери за счет испарения в атмосферу. Если транспортное средство хранится в плохо вентилируемом помещении, существует некоторый риск того, что утечка азота может снизить концентрацию кислорода в воздухе и вызвать удушье . Поскольку азот — это газ без цвета и запаха, который уже составляет 78 процентов воздуха, такое изменение будет трудно обнаружить.

Криогенные жидкости опасны при проливе. Жидкий азот может вызвать обморожение и сделать некоторые материалы чрезвычайно хрупкими.

Поскольку температура жидкого азота ниже 90,2 К, кислород из атмосферы может конденсироваться. Жидкий кислород может самопроизвольно и бурно реагировать с органическими химическими веществами, включая нефтепродукты, такие как асфальт. ^[12]

жидкости и газа Поскольку коэффициент расширения этого вещества составляет 1:694, при быстром испарении жидкого азота может возникнуть огромная сила. Во время инцидента, произошедшего в 2006 году в Техасском университете A&M , устройства сброса давления в резервуаре с жидким азотом были закрыты латунными заглушками. В результате танк катастрофически вышел из строя и взорвался. ^[13]

См. также

Дальнейшее чтение

К.А. Ордонес, М.К. Пламмер, Р.Ф. Рейди «Криогенные тепловые двигатели для транспортных средств с нулевым уровнем выбросов» , Материалы Международного конгресса и выставки ASME 2001 г., 11–16 ноября 2001 г., Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.
Клеппе Дж.А., Шнайдер Р.Н., «Азотная экономика», Зимнее собрание ASEE, Гонолулу, Гавайи, декабрь 1974 г.
Гордон Дж. Ван Вайлен и Ричард Ф. Зонтаг, Основы классической термодинамики SI, версия 2-го изд.

Ссылки

^ Балмер, Роберт Т. (2011). «14.15 Охлаждение с обратным циклом Стирлинга» . Современная инженерная термодинамика . Академическая пресса . ISBN 978-0-12-374996-3 . ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
^ «Наша история» .
^ «Стирлинг Криогеника – Инженеры по криогенике и криогенераторам» . Архивировано из оригинала 3 февраля 2013 г. Проверено 11 февраля 2013 г. Охлаждение коммерческого двигателя Стирлинга
^ Jump up to: ^а ^б Райли Лейно (22 октября 2012 г.). «Революционная идея: автомобиль будущего может работать на азотном двигателе» . Технологии и финансы (на финском языке). Архивировано из оригинала 1 сентября 2013 г. Проверено 22 октября 2012 г.
^ «Технология» . Двигательная компания Дирман. 2012. Архивировано из оригинала 22 октября 2012 г.
^ Рейес, Де Рейес, Эдвард (25 июня 2013 г.), Двигатель на жидком азоте , получено 18 ноября 2016 г. {{citation}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ «Турбина LN2 — чистая, зеленая энергия» . www.nitroturbodyne.com . Проверено 18 ноября 2016 г.
^ «ИСО 11439:2000» . ИСО .
^ «Sainsbury испытывает ведущую в мире технологию охлаждения Dearman» . Инновационная Великобритания.
^ Дж. Франц, К. А. Ордонес, А. Карлос, Криогенные тепловые двигатели, изготовленные с использованием электрокалорических конденсаторов , Американское физическое общество, Осеннее собрание Техасской секции, 4–6 октября 2001 г., Форт-Уэрт, Техас. Идентификатор собрания: TSF01, аннотация № EC.009, 10/2001. Бибкод : 2001APS..TSF.EC009F
^ Jump up to: ^а ^б ^с Ноулен, К.; Мэттик, AT; Брукнер, АП; Герцберг, А. (11 августа 1998 г.). «Высокоэффективные системы преобразования энергии для автомобилей, работающих на жидком азоте» (PDF) . Общество инженеров автомобильной промышленности . Серия технических документов SAE. 1 . Уоррендейл, Пенсильвания. дои : 10.4271/981898 . Архивировано из оригинала (PDF) 24 апреля 2003 г. - через Инженерный колледж Вашингтонского университета .
^ Верли, Барри Л. (редактор) (1991). «Пожароопасность в кислородных системах». Техническое профессиональное обучение ASTM. Филадельфия: Международный подкомитет ASTM G-4.05.
^ Брент С. Мэттокс. «Отчет о расследовании взрыва химического цилиндра 301A» (PDF) . Техасский университет A&M . Архивировано из оригинала (перепечатка) 31 октября 2008 г.

Внешние ссылки

Видео автомобиля, работающего на жидком воздухе , включено в репортаж BBC News (автомобиль появляется на 0:52).
LN2 Транспортное средство 1. Архивировано 5 февраля 2007 г. в Wayback Machine , автомобиле, работающем на жидком азоте и использующем криогенный тепловой двигатель, в Университете Северного Техаса.
Обсуждение возможности использования автомобиля LN2 на сайте Howthingworks
Термодинамические свойства различных топлив (табличные данные).

[1] Балмер, Роберт Т. (2011). «14.15 Охлаждение с обратным циклом Стирлинга» . Современная инженерная термодинамика . Академическая пресса . ISBN 978-0-12-374996-3 . ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[2] «Наша история» .

[3] «Стирлинг Криогеника – Инженеры по криогенике и криогенераторам» . Архивировано из оригинала 3 февраля 2013 г. Проверено 11 февраля 2013 г. Охлаждение коммерческого двигателя Стирлинга

[T&T-4] Jump up to: ^а ^б Райли Лейно (22 октября 2012 г.). «Революционная идея: автомобиль будущего может работать на азотном двигателе» . Технологии и финансы (на финском языке). Архивировано из оригинала 1 сентября 2013 г. Проверено 22 октября 2012 г.

[5] «Технология» . Двигательная компания Дирман. 2012. Архивировано из оригинала 22 октября 2012 г.

[6] Рейес, Де Рейес, Эдвард (25 июня 2013 г.), Двигатель на жидком азоте , получено 18 ноября 2016 г. {{citation}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[7] «Турбина LN2 — чистая, зеленая энергия» . www.nitroturbodyne.com . Проверено 18 ноября 2016 г.

[8] «ИСО 11439:2000» . ИСО .

[9] «Sainsbury испытывает ведущую в мире технологию охлаждения Dearman» . Инновационная Великобритания.

[10] Дж. Франц, К. А. Ордонес, А. Карлос, Криогенные тепловые двигатели, изготовленные с использованием электрокалорических конденсаторов , Американское физическое общество, Осеннее собрание Техасской секции, 4–6 октября 2001 г., Форт-Уэрт, Техас. Идентификатор собрания: TSF01, аннотация № EC.009, 10/2001. Бибкод : 2001APS..TSF.EC009F

[Knowlen-11] Jump up to: ^а ^б ^с Ноулен, К.; Мэттик, AT; Брукнер, АП; Герцберг, А. (11 августа 1998 г.). «Высокоэффективные системы преобразования энергии для автомобилей, работающих на жидком азоте» (PDF) . Общество инженеров автомобильной промышленности . Серия технических документов SAE. 1 . Уоррендейл, Пенсильвания. дои : 10.4271/981898 . Архивировано из оригинала (PDF) 24 апреля 2003 г. - через Инженерный колледж Вашингтонского университета .

[12] Верли, Барри Л. (редактор) (1991). «Пожароопасность в кислородных системах». Техническое профессиональное обучение ASTM. Филадельфия: Международный подкомитет ASTM G-4.05.

[13] Брент С. Мэттокс. «Отчет о расследовании взрыва химического цилиндра 301A» (PDF) . Техасский университет A&M . Архивировано из оригинала (перепечатка) 31 октября 2008 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

v т и Транспортные средства на альтернативном топливе
Топливный элемент	Автомобиль на топливных элементах
Человеческая сила	Электрический велосипед Педелец
Солнечная энергия	Солнечный автомобиль Солнечный автомобиль Список прототипов Солнечный автобус Электрический самолет Электрическая лодка
Сжатый воздух двигатель	Пневматическая машина Пневматический автомобиль турбина Теслы
Электрическая батарея и мотор	Аккумулятор-электровоз Аккумуляторный электропоезд Электрический самолет Электрический велосипед Педелец Электрическая лодка Электрический автобус Электробус на аккумуляторе Электромобиль Список Электрический грузовик Электрический грузовик с платформой Электромобиль Аккумуляторный электромобиль Электрические мотоциклы и скутеры Электрический самокат Автомобиль на топливных элементах Локомотив с гироскопическим маховиком Гибридный электромобиль Гибридный поезд Соседский электромобиль Подключаемый электромобиль Список Подключаемый гибридный электромобиль Солнечный автомобиль Солнечный автомобиль Солнечный автобус
Биотопливо ДВС	Спиртовое топливо Биодизель Биогаз Бутаноловое топливо Биобензин Обычные топливные смеси этанола Е85 Этаноловое топливо Транспортное средство с гибким топливом Метаноловая экономика Метаноловое топливо Древесный газ
Водород	Автомобиль на топливных элементах Водородная экономика Водородный автомобиль Автомобиль с водородным двигателем внутреннего сгорания
Другие	Автогаз Гибридный электромобиль Автомобиль с жидким азотом Автомобиль на природном газе Пропан
Многотопливный	Двухтопливный автомобиль Транспортное средство с гибким топливом Гибридный электромобиль Гибридный поезд Гибридный автомобиль Многотопливный Подключаемый гибрид Солнечный автомобиль Солнечный автомобиль Солнечный автобус Электрический самолет Электрическая лодка
Документальные фильмы	Кто убил электромобиль? Что такое электромобиль? Месть электромобиля
См. также	Ветряной автомобиль Автомобиль с нулевым уровнем выбросов