- Транспортные средства на жидком азоте
- Содержание
- Преимущества
- Недостатки
- Высокие материальные затраты
- Низкая энергоплотность жидкого азота
- Образование жидкого кислорода
- Требования к герметичности
- Обмерзание
- См. также
- Литература
- Ссылки
- Как работает двигатель на жидком азоте
- Содержание
- Описание
- Цикл Карно
- Танки
- Транспортные средства на жидком азоте
- Выход выбросов
- Преимущества
- Недостатки
- Критика
- Себестоимость продукции
- Плотность энергии жидкого азота
- Образование инея
- Безопасность
- Содержание
- Описание
- Цикл Карно
- Танки
- Транспортные средства на жидком азоте
- Выход выбросов
- Преимущества
- Недостатки
- Критика
- Себестоимость продукции
- Плотность энергии жидкого азота
- Образование инея
- Безопасность
- Видео
Транспортные средства на жидком азоте
Транспортные средства на жидком азоте получают энергию от жидкого азота, запасённого в специальных баках. Обычно азотный двигатель работает следующим образом: жидкий азот подогревается в теплообменнике, получая тепло от окружающего воздуха, затем испарившийся азот, преобразованный в газ высокого давления, поступает в двигатель, где, воздействуя на поршень или на ротор двигателя, передаёт ему энергию. Транспортные средства на жидком азоте демонстрировались на публике, однако не получили коммерческого применения. Одним из таких транспортных средств являлся автомобиль, продемонстрированный англо-американской фирмой «Жидкий воздух» в 1902 году. По заявлению фирмы разработчика, этот автомобиль был способен проехать сотни километров на одной заправке.
Энергия жидкого азота может быть использована также в гибридных системах, в частности, в электромобилях. Кроме того, системы рекуперативного торможения также могут быть использованы в связке с системами, работающими на жидком азоте.
Содержание
Преимущества
Автомобили на жидком азоте сравнимы по многим параметрам с электромобилями. Их преимущества по сравнению с другими видами автомобилей следующие:
Недостатки
Высокие материальные затраты
Производство жидкого азота — это энергозатратный процесс, что приводит к высокой стоимости жидкого азота. [ уточнить ]
Низкая энергоплотность жидкого азота
Любой продукт, полученный в результате процесса фазового перехода вещества, будет в конечном итоге иметь более низкую плотность энергии, чем продукт, полученный в результате процесса, основанного на химических реакциях. В свою очередь, продукты, полученные в результате химических реакций, имеют энергетическую плотность ниже, чем у веществ, испытывающих ядерные превращения. Поэтому жидкий азот как энергоноситель имеет низкую плотность энергии. Жидкое углеводородное топливо в сравнении с жидким азотом имеет высокую плотность энергии. Это важный аспект, потому высокая плотность энергии делает распределение, транспортировку и хранение топлива более удобным. В свою очередь, удобство — это важный фактор для потребительских качеств товара. Удобство хранения нефтепродуктов в сочетании с их низкой стоимостью делает их непревзойдёнными видами топлив по потребительским качествам. Кроме того, бензин и дизельное топливо являются первичными источниками энергии, для которых не требуются вещества-посредники для запасания и транспортировки энергии.
Образование жидкого кислорода
Поскольку жидкий азот N2 имеет температуру менее 90.2K, то из атмосферного воздуха может конденсироваться кислород. Капли жидкого кислорода могут попадать на различные окружающие предметы. В свою очередь, жидкий кислород способен спонтанно и довольно бурно реагировать с органическими химическими веществами, включая такие нефтепродукты как асфальт.
Требования к герметичности
Пролитая криогенная жидкость может представлять опасность. В частности, попадание жидкого азота на поверхность человеческого тела может приводить к обморожениям. Жидкий азот в контакте с некоторыми материалами делает их чрезвычайно хрупкими.
Обмерзание
В отличие от двигателей внутреннего сгорания, криогенные системы, работающие, в частности, на жидком азоте, требуют наличия теплообменников для нагревания и охлаждения рабочей жидкости. Влага из окружающего воздуха может намерзать на деталях и узлах теплообменников, что затрудняет течение тепловых потоков. Предотвращение обмерзания требует решения соответствующих инженерных задач и установки дополнительного оборудования. Это приводит к увеличению массы транспортного средства, повышению сложности конструкции, к снижению КПД и увеличению стоимости.
См. также
Литература
Ссылки
Что такое wiki2.info Вики является главным информационным ресурсом в интернете. Она открыта для любого пользователя. Вики это библиотека, которая является общественной и многоязычной.
Основа этой страницы находится в Википедии. Текст доступен по лицензии CC BY-SA 3.0 Unported License.
Wikipedia® — зарегистрированный товарный знак организации Wikimedia Foundation, Inc. wiki2.info является независимой компанией и не аффилирована с Фондом Викимедиа (Wikimedia Foundation).
Как работает двигатель на жидком азоте
ДВИГАТЕЛИ НА АЗОТНОМ ТОПЛИВЕ
Вадим Георгиевич НЕКРАСОВ, доцент кафедры автомобильного транспорта Акгюбинского университета, к.т.н.,
Андрей Фадеевич МАКАРОВ, с.н.с. НЦ ВостНИИ, г. Кемерово,
Александр Александрович ЗЛЫДЕННЫЙ, директор машиностроительного завода «Алькор», Алма-Ата, Казахстан,
Ахмет Жакиевич МУРЗАГАЛИЕВ, декан Технического факультета Актюбинского университета, к.т.н.
Тенденция роста стоимости жидких углеводородов и перспектива сокращения объемов добычи нефти являются причинами поиска альтернативных топлив. Особо остро стоит вопрос о замене моторных видов топлива. Производимые в настоящее время альтернативные виды топлива, такие как биоэтанол и биодизель, не могут решить проблемы, так как их производство приводит к конфликту «топливо или продовольствие». Кроме того, производство биотоплива имеет ограниченные возможности на уровне 7…10 % объема потребляемого в настоящее время углеводородного топлива. Другие виды альтернативных топлив, такие как синтетические жидкие топлива, производимые из угля, природного газа имеют ограниченные возможности по условиям стоимости и невозобновляемости сырья. Известны попытки использования в качестве моторного топлива продуктов химического производства, например, метилового спирта (СН3ОН) или диметилового эфира (С2Н6О).
В ракетно-космической технике в качестве топлива используют синтетические энергоносители бинарного типа. Применение в наземной технике общего назначения таких топлив невозможно ввиду токсичности, пожаро- и взрывоопасности этих веществ. Еще меньше перспектив для использования в наземной технике имеют твердые виды унитарного топлива, содержащие в своем составе как горючий компонент, так и окислитель. Как правило, твердотопливные двигатели являются одноразовыми.
Учитывая положительные особенности синтетических топлив и их недостатки, была поставлена задача найти такое унитарное топливо, которое удовлетворяет ряду требований и обеспечивает возможность его использования в наземной технике массового применения. Указанные требования включают безопасность, технологичность, совместимость с конструкционными материалами, наличие освоенных технологий производства, доступность и возобновляемость сырья, низкую стоимость конечного продукта, используемого в качестве топлива.
Один килограмм сбалансированной по составу смеси в результате реакции образует 900 л парогаза (смеси водяных паров, азота и углекислого газа), кроме этого выделяется 850 ккал тепловой энергии, повышающей температуру. По энерговыделению отмеченная композиция веществ близка к пироксилиновому пороху и может быть названа «азотным топливом». Азот выделяется в молекулярном виде.
Поршневые двигатели на азотном топливе
Для использования азотного топлива в существующих ДВС необходима их модернизация, так как имеются некоторые особенности. Так, азотное топливо при определенном соотношении компонентов может использоваться без потребления атмосферного воздуха. В этом случае режим работы ДВС реализуем в двухтактном цикле.
Расчеты показывают, что наибольшая термическая эффективность достигается, если в составе топлива будет некоторый избыток горючей составляющей, а недостающий окислитель будет получен в виде предварительно сжатого воздуха. Этот режим можно реализовать в типовом двухтактном цикле с продувкой цилиндра воздухом.
Винтовые ступенчатые двигатели
Особенности азотного топлива позволяют рассматривать перспективные схемы двигателей, в которых реализуются циклы, обладающие рядом преимуществ по сравнению с известными для современных ДВС. Как отмечалось выше, азотное топливо при сбалансированном составе горючего и окислителя не требует использования атмосферного воздуха, а процесс можно вести при температуре не более 500…700 °C. Это дает основание рассматривать возможность применения поточных процессов в двигателях объемного типа.
Винтовой элемент с цилиндрическими роторами обеспечивает степень сжатия/расширения около 2,5. Для получения суммарной степени расширения на уровне 16 требуются три ступени расширения.
Винтовые двигатели глубокого расширения
Винтовой двигатель объемного типа с поточным процессом глубокого расширения реализуется при использовании конических роторов с винтовой нарезкой. В такой расширительной машине за один проход газов обеспечивается степень расширения 18. 20, что характерно для дизельного двигателя.
Расчеты показывают, что мощность 10 кВт при частоте вращения вала 2000 мин-1 может быть получена при большом диаметре ротора 100 мм и его длине 230 мм. Мощность 100 кВт можно получить при той же частоте вращения, диаметре ротора 200 мм и длине 500 мм. Термический к.п.д. в таких двигателях ожидается на уровне 60 %, т.е. близок к поршневым вариантам. В настоящее время разработана технология изготовления сложных пространственных элементов, необходимых для такого двигателя.
Второй вариант ротационного двигателя назван «роторно-волновым». В таком двигателе корпус выполнен коническим с имеющимися винтовыми каналами на внутренней стороне. Ротор также имеет винтовую форму. Кроме того, он помимо вращения совершает движения по образующей конуса.
В результате такого сложного движения винтовые выступы на роторе отсекают объемы газа, которые сдвигаются от центральной узкой части корпуса к периферийной, расширяясь и за счет давления газов создавая вращательный момент на роторе.
Изготовление волнового двигателя требует разработки технологии формирования сложных поверхностей корпуса и ротора.
Таким образом, возможности организации процесса на азотном топливе при высоком давлении, но при умеренной температуре газа открывают перспективу создания нового типа двигателя.
[Напоминаем, что Интернет-вариант статьи сильно сокращен. Ред.]
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.
Содержание
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.
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
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 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:
Недостатки
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
Плотность энергии жидкого азота
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
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]
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.
Содержание
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.
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
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 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:
Недостатки
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
Плотность энергии жидкого азота
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
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]
Видео
Что если ЗАЛИТЬ ЖИДКИЙ АЗОТ в ДВИГАТЕЛЬ?Скачать
ЧТО ЕСЛИ СУНУТЬ РАСКАЛЕННЫЙ КИПЯТИЛЬНИК в ЖИДКИЙ АЗОТ..?! РАЗНИЦА ТЕМПЕРАТУР в ДЕЙСТВИИ...Скачать
