Двигатель на жидком азоте - Liquid nitrogen engine

А жидкий азот питается от жидкий азот, который хранится в резервуаре. Традиционные конструкции двигателей с азотом работают за счет нагрева жидкого азота в теплообменник, отводя тепло из окружающего воздуха и используя полученный сжатый газ для работы поршневого или роторного двигателя. Были продемонстрированы автомобили, приводимые в движение жидким азотом, но они не используются в коммерческих целях. Один такой автомобиль, Жидкий воздух был продемонстрирован в 1902 году.

Двигательная установка на жидком азоте также может быть включена в гибридные системы, например, аккумуляторная электрическая силовая установка и топливные баки для подзарядки аккумуляторов. Такая система называется гибридной жидко-азотно-электрической двигательной установкой. Дополнительно, рекуперативное торможение также может использоваться вместе с этой системой.

Одним из преимуществ транспортного средства на жидком азоте является то, что выхлопной газ представляет собой просто азот, компонент воздуха, поэтому он не производит локализованных загрязнение воздуха в выхлопных газах. Это не делает его полностью свободным от загрязнения, поскольку энергия требовалась в первую очередь для сжижения азота, но этот процесс сжижения может быть удален от работы транспортного средства и, в принципе, может осуществляться от источника Возобновляемая энергия или чистая энергия источник.

Описание

Жидкий азот образуется криогенный или наоборот двигатель Стирлинга [1][2][3] охладители, разжижающие основной компонент воздуха, азот (N2). Кулер может работать от электричества или от прямого механического привода. гидро илиВетряные турбины. Жидкий азот распределяется и хранится в изолированные контейнеры. Изоляция снижает поток тепла в хранящийся азот; это необходимо, потому что тепло окружающей среды приводит к кипению жидкости, которая затем переходит в газообразное состояние. Уменьшение поступающего тепла снижает потери жидкого азота при хранении. Требования к хранению не позволяют использовать трубопроводы в качестве транспортных средств. Поскольку магистральные трубопроводы были бы дорогостоящими из-за требований к изоляции, было бы дорого использовать удаленные источники энергии для производства жидкого азота. Запасы нефти обычно находятся на большом расстоянии от места потребления, но могут передаваться при температуре окружающей среды.

Потребление жидкого азота - это, по сути, производство в обратном порядке. В двигатель Стирлинга или криогенный тепловой двигатель предлагает способ питания транспортных средств и средства для выработки электроэнергии. Жидкий азот также может служить прямым охлаждающим средством для холодильники, электрооборудование и кондиционирование воздуха единицы. Фактически потребление жидкого азота заключается в кипении и возврате азот к атмосфера.

в Dearman Engine азот нагревается путем объединения его с теплоносителем внутри цилиндра двигателя.[4][5]

В 2008 году Патентное бюро США выдало патент на газотурбинный двигатель, работающий на жидком азоте.[6] Турбина мгновенно расширяет жидкий азот, который распыляется в секцию высокого давления турбины, и расширяющийся газ объединяется с поступающим сжатым воздухом для создания высокоскоростного потока газа, который выбрасывается из задней части турбины. Полученный газовый поток 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 жидкий азот холоднее, чем температура окружающей среды, двигатель с жидким азотом, тем не менее, является примером Тепловой двигатель. Тепловая машина работает за счет извлечения тепловой энергии из разницы температур между горячим и холодным резервуарами; В случае двигателя с жидким азотом «горячий» резервуар - это воздух из окружающей («комнатной температуры») среды, который используется для кипячения азота.

Таким образом, азотный двигатель извлекает энергию из тепловой энергии воздуха, и эффективность преобразования, с которой он преобразует энергию, может быть рассчитана из законы термодинамики с помощью Эффективность Карно уравнение, применимое ко всем тепловым двигателям.

Танки

Резервуары для хранения жидкого азота должны быть спроектированы в соответствии со стандартами безопасности, соответствующими сосуд под давлением, такие как ISO 11439.[8]

Резервуар для жидкого азота (Измир, Турция)

Резервуар для хранения может быть выполнен из:

Волокнистые материалы значительно легче металлов, но обычно дороже. Металлические резервуары могут выдерживать большое количество циклов давления, но их необходимо периодически проверять на наличие коррозии. Жидкий азот, LN2, обычно транспортируется в изотермических цистернах объемом до 50 литров при атмосферном давлении. Эти резервуары, не находящиеся под давлением, не подлежат проверке. В очень больших резервуарах для LN2 иногда создается давление ниже 25 фунтов на квадратный дюйм, чтобы облегчить перекачку жидкости в точке использования.

Транспортные средства на жидком азоте

Транспортное средство, приводимое в движение жидким азотом, Жидкий воздух, был продемонстрирован в 1902 году.

В июне 2016 года в Лондоне, Великобритания, начнутся испытания парка транспортных средств для доставки еды в супермаркете J. Sainsbury: с использованием азотного двигателя Dearman для обеспечения мощности для охлаждения пищевых грузов, когда транспортное средство неподвижно и главный двигатель выключен. В настоящее время грузовые автомобили в основном имеют вторые меньшие дизельные двигатели для охлаждения двигателя при выключенном основном двигателе.[9]

Выход выбросов

Подобно другим технологиям хранения энергии, не связанным с сжиганием, транспортное средство с жидким азотом перемещает источник выбросов из выхлопной трубы транспортного средства в центральную электростанцию. При наличии источников, свободных от выбросов, чистое производство загрязняющих веществ может быть уменьшено. Меры по контролю за выбросами на центральной электростанции могут быть более эффективными и менее дорогостоящими, чем обработка выбросов широко разбросанных транспортных средств.

Преимущества

Транспортные средства на жидком азоте во многом сопоставимы с электрические транспортные средства, но используйте жидкий азот для хранения энергии вместо батарей. Их потенциальные преимущества перед другими автомобилями включают:

  • Подобно электромобилям, автомобили с жидким азотом в конечном итоге будут получать питание от электрической сети, что упрощает сосредоточение усилий на сокращении загрязнения из одного источника, в отличие от миллионов транспортных средств на дорогах.
  • Транспортировка топлива не потребуется из-за отключения электроэнергии от электросети. Это дает значительную экономическую выгоду. Загрязнение, возникающее при транспортировке топлива, будет устранено.
  • Снижение затрат на 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 существующими аккумуляторными системами.
  • Резервуар можно заправлять чаще и быстрее, чем можно заряжать аккумуляторы, со скоростью заправки, сопоставимой с жидким топливом.
  • Может работать как часть комбинированный цикл трансмиссию в сочетании с бензиновым или дизельным двигателем, используя отходящее тепло от одного, чтобы запустить другой в турбосоединение система. Он даже может работать как гибридная система.

Недостатки

Главный недостаток - неэффективное использование первичной энергии. Энергия используется для разжижения азота, который, в свою очередь, обеспечивает работу двигателя. Любое преобразование энергии имеет потери. Для автомобилей 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 побочным продуктом производства жидкого кислорода.

Критика

Себестоимость продукции

Производство жидкого азота - энергоемкий процесс. В настоящее время практические холодильные установки, производящие несколько тонн жидкого азота в день, работают примерно на 50% Эффективность Карно.[10] В настоящее время излишки жидкого азота производятся как побочный продукт при производстве жидкий кислород.[4]

Плотность энергии жидкого азота

Любой процесс, основанный на фазовом переходе вещества, будет иметь гораздо более низкую плотности энергии чем процессы, включающие химические реакции в веществе, которые, в свою очередь, имеют более низкую плотность энергии, чем ядерные реакции. Жидкий азот как накопитель энергии имеет низкую плотность энергии. Для сравнения: жидкое углеводородное топливо имеет высокую плотность энергии. Высокая удельная энергия делает логистику транспортировки и хранения более удобной. Удобство - важный фактор в принятии решения потребителями. Удобное хранение нефтяного топлива в сочетании с его низкой стоимостью привело к непревзойденному успеху. Кроме того, нефтяное топливо - это первичный источник энергии, а не просто средство хранения и транспортировки энергии.

Плотность энергии, полученная из изобарной теплоты испарения азота и удельной теплоты в газообразном состоянии, которая теоретически может быть реализована из жидкого азота при атмосферном давлении и температуре окружающей среды 27 ° C, составляет около 213 ватт-часов на килограмм (Вт · ч / кг) , в то время как обычно в реальных условиях можно достичь только 97 Вт · ч / кг. Для сравнения: 100–250 Вт · ч / кг для литий-ионный аккумулятор и 3000 Вт · ч / кг для бензина двигатель внутреннего сгорания работает с тепловым КПД 28%, что в 14 раз превышает плотность жидкого азота, используемого при КПД Карно.[11]

Для того чтобы двигатель изотермического расширения имел диапазон, сопоставимый с двигателем внутреннего сгорания, требуется изолированное бортовое хранилище объемом 350 литров (92 галлона США).[11] Практичный объем, но заметное увеличение по сравнению с типичным 50-литровым (13 галлонами США) бензиновым баком. Добавление более сложных энергетических циклов снизит 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 теплообменников для нагрева и охлаждения рабочего тела. Во влажной среде образование инея препятствует тепловому потоку и, таким образом, представляет собой техническую проблему. Чтобы предотвратить образование инея, можно использовать несколько рабочих жидкостей. Это добавляет циклы доливки, чтобы теплообменник не опускался ниже точки замерзания. Для обеспечения работы без замораживания потребуются дополнительные теплообменники, вес, сложность, потеря эффективности и расходы.[11]

Безопасность

Какой бы эффективной ни была изоляция топливного бака с азотом, неизбежны потери из-за испарения в атмосферу. Если автомобиль 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 проливании. Жидкий азот может вызвать обморожение и может сделать некоторые материалы чрезвычайно хрупкими.

Поскольку жидкий N2 холоднее 90,2К, кислород из атмосферы может конденсироваться. Жидкий кислород может самопроизвольно и бурно реагировать с органическими химическими веществами, включая нефтепродукты, такие как асфальт.[12]

Поскольку жидкость в газ степень расширения этого вещества составляет 1: 694, огромное количество силы может быть создано, если жидкий азот быстро испаряется. Во время инцидента в 2006 г. Техасский университет A&M, устройства сброса давления бака с жидким азотом закрывались латунными пробками. В результате танк катастрофически вышел из строя и взорвался.[13]

Смотрите также

дальнейшее чтение

  • C.A. Ордонез, М. Пламмер, Р.Ф. Рейди «Криогенные тепловые двигатели для двигателей с нулевым уровнем выбросов», Материалы Международного конгресса и выставки по машиностроению ASME 2001, 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 Уилен и Ричард Ф. Зонтаг, Основы классической термодинамики. С.И. Версия 2-е изд.

использованная литература

  1. ^ Балмер, Роберт Т. (2011). "14.15 Охлаждение с обращенным циклом Стирлинга". Современная инженерная термодинамика. Академическая пресса. ISBN  978-0-12-374996-3.
  2. ^ история охлаждения с двигателями Стирлинга
  3. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2013-02-03. Получено 2013-02-11.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка на сайт) Коммерческое охлаждение двигателя Стирлинга
  4. ^ а б Райли Лейно (2012-10-22). "Идея муллиставы: Tulevaisuuden auto voi kulkea typpimoottorilla". Текникка и Талус (на финском). Архивировано из оригинал на 2013-09-01. Получено 2012-10-22.
  5. ^ "Технология". Компания Dearman Engine. 2012. Архивировано с оригинал на 2012-10-22.
  6. ^ Рейес, Де Рейес, Эдвард (25 июня 2013 г.), Двигатель на жидком азоте, получено 2016-11-18
  7. ^ «Турбина LN2 - чистая, зеленая энергия». www.nitroturbodyne.com. Получено 2016-11-18.
  8. ^ Газовые баллоны - баллоны высокого давления для хранения природного газа в качестве топлива для автомобилей.
  9. ^ «Испытания Sainsbury передовой в мире технологии охлаждения Dearman». Innovate UK.
  10. ^ J. Franz, C.A. Ордонез, А. Карлос, Криогенные тепловые двигатели на электрокалорийных конденсаторах, Американское физическое общество, осеннее собрание техасской секции, 4–6 октября 2001 г., Форт-Уэрт, штат Техас, ID собрания: TSF01, реферат № EC.009, 10/2001. Bibcode:2001APS..TSF.EC009F
  11. ^ а б c Knowlen, C .; Mattick, A.T .; Bruckner, A. P .; Герцберг, А. (1998-08-11). «Высокоэффективные системы преобразования энергии для автомобилей с жидким азотом» (PDF). Общество Автомобильных Инженеров. Серия технических статей SAE. Варрендейл, Пенсильвания. 1. Дои:10.4271/981898. Архивировано из оригинал (PDF) 24.04.2003 - через Инженерный колледж Вашингтонского университета.
  12. ^ Верли, Барри Л. (Редактор) (1991). «Опасности возгорания в кислородных системах». ASTM Техническая профессиональная подготовка. Филадельфия: Международный подкомитет ASTM G-4.05.
  13. ^ Брент С. Маттокс. "Отчет о расследовании химического взрыва цилиндра 301A" (PDF). Техасский университет A&M. Архивировано из оригинал (перепечатка) 31 октября 2008 г.

внешние ссылки