Криогенное топливо - Википедия - Cryogenic fuel

Криогенное топливо находятся топливо которые требуют хранения при очень низких температурах, чтобы поддерживать их в жидком состоянии. Эти виды топлива используются в оборудовании, которое работает в космосе (например, ракетных кораблях и спутниках), потому что обычное топливо не может быть использовано там из-за очень низких температур, часто встречающихся в космосе, и из-за отсутствия окружающей среды, которая поддерживает горение (на Земле в атмосфере много кислорода, в то время как космос, доступный для исследования человеком, представляет собой вакуум, в котором кислорода практически нет). Криогенный топливо чаще всего составляет сжиженный газы Такие как жидкий водород.

Немного ракетные двигатели использовать регенеративное охлаждение, практика циркуляции криогенного топлива вокруг насадки перед закачкой топлива в камера сгорания и загорелся. Такое расположение было впервые предложено Ойген Зенгер в 1940-е гг. В Сатурн V Ракета, которая отправила первые пилотируемые миссии на Луну, использовала этот элемент дизайна, который используется до сих пор.

Частенько, жидкий кислород ошибочно называют криогенным топливо, хотя на самом деле это окислитель а не топливо.[нужна цитата ]

Российский авиастроитель Туполев разработал версию своего популярного Ту-154 конструкции, но с криогенной топливной системой, обозначенной Ту-155. Использование топлива, называемого сжиженный природный газ (СПГ), первый полет 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 криогенного топлива с высокой плотностью 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 увеличения давления, которые направляются к поршням двигателя. Поршни двигаются за счет механической энергии, преобразуемой в результате контролируемого производства газообразного топлива. Яркий пример можно увидеть в Питер Дирман Жидкостный самолет. Некоторые распространенные инертные виды топлива включают:

Горючие

Эти виды топлива используют полезные криогенные свойства жидкости наряду с легковоспламеняющейся природой вещества как источника энергии. Эти виды топлива хорошо известны, прежде всего, благодаря их использованию в ракеты. Некоторые распространенные горючие виды топлива включают:

Сгорание двигателя

Горючие криогенные виды 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 варьируется 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 остывающего при сбросе контролируемого давления газа. Достаточное повышение давления и последующий сброс давления могут привести к сжижению большинства газов, как показано на примере Эффект Джоуля-Томсона.[3]

Сжиженный природный газ

Хотя сжижение природного газа для хранения, транспортировки и использования является рентабельным, во время этого процесса потребляется примерно от 10 до 15 процентов газа.[4] Оптимальный процесс состоит из четырех этапов: пропановое охлаждение и две ступени охлаждения этилена. Может быть добавление дополнительного хладагент стадии, но дополнительные затраты на оборудование экономически не оправданы.[нужна цитата ] Эффективность может быть связана с каскадными процессами чистых компонентов, которые сводят к минимуму общую разницу температур между источником и стоком, 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 смесь, которую необходимо охлаждать и конденсировать, является сырьевым газом. В процессах со смешанным хладагентом с пропаном 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, парниковый газ ставка потенциально может быть снижена на 11–20% при использовании СПГ вместо бензина при транспортировке грузов.[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 производит больше толкать 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 загрязняющие вещества и, следовательно, в случае разлива не представляют опасности для окружающей среды. Убирать опасные отходы после разлива не нужно.[8]

Возможные недостатки

  • Некоторые криогенные виды топлива, такие как СПГ, естественно горючие. Воспламенение 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. Высокое давление топливные баки требуют более толстых стенок и более прочных сплавов, которые утяжеляют цистерны транспортного средства, что снижает производительность.
  • Несмотря на нетоксичный Как правило, криогенное топливо плотнее воздуха. Таким образом, они могут привести к удушье. В случае утечки жидкость превратится в очень плотный холодный газ и при вдыхании может быть смертельным.[9]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Библарц, Оскар; Саттон, Джордж Х. (2009). Элементы силовой установки ракеты. Нью-Йорк: Вили. п.597. ISBN  978-0-470-08024-5.
  2. ^ а б Эйвинд Бухауг (2011-09-21). «Характеристики горения СПГ» (PDF). СПГ Топливный форум.
  3. ^ Журнал Нефть и Газ (2002-08-09). «Технологии сжижения СПГ двигаются в сторону большей эффективности и снижения выбросов».
  4. ^ Билл Уайт (2012-10-02). «Все, что вам нужно знать о СПГ». Масляный барабан.
  5. ^ Велдон Рансбаргер (2007). «Свежий взгляд на эффективность процесса СПГ» (PDF). СПГ промышленность. Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-06-24. Получено 2015-12-09.
  6. ^ а б «Каковы преимущества СПГ». 2015. Архивировано с оригинал на 2017-12-04. Получено 2015-12-02.
  7. ^ Рамачандран, Р. (07.02.2014). «Криогенное преимущество». Линия фронта.
  8. ^ а б Cryogenic Fuels, Inc. (1991-12-16). «Отчет о характеристиках жидкого метанового топлива и оценке безопасности» (PDF). Столичное управление транзита. Архивировано из оригинал (PDF) в 2018-10-09. Получено 2015-12-02.
  9. ^ Асогекар, Нихил. (2015-12-02). «Криогенные жидкости - опасности». CCOHS.