Двигатель на жидком азоте - Liquid nitrogen engine

Жидкий носитель азот питается от жидкого азота , который хранится в резервуаре. Традиционные конструкции азотных двигателей работают за счет нагрева жидкого азота в теплообменнике , извлечения тепла из окружающего воздуха и использования полученного сжатого газа для работы поршневого или роторного двигателя. Были продемонстрированы автомобили, приводимые в движение жидким азотом, но они не используются в коммерческих целях. Один из таких автомобилей, Liquid Air, был продемонстрирован в 1902 году.

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

Одним из преимуществ транспортного средства с жидким азотом является то, что выхлопные газы представляют собой просто азот, компонент воздуха, и, таким образом, они не вызывают локального загрязнения 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 быть обеспечен возобновляемой энергией или источником чистой энергии .

Описание

Жидкий азот вырабатывается криогенными или реверсивными охладителями двигателя Стирлинга, которые сжижают основной компонент воздуха - азот (N 2 ). Охладитель может работать от электричества или за счет прямой механической работы от гидро- или ветряных турбин . Жидкий азот распределяется и хранится в изотермических контейнерах . 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 транспортного средства. 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. Двигатель Стирлинга или криогенный тепловой двигатель предлагает способ питания транспортных средств и средства для выработки электроэнергии. Жидкий азот также может использоваться в качестве охлаждающей жидкости для холодильников , электрооборудования и кондиционеров . Фактически потребление жидкого азота приводит к кипению и возврату азота в атмосферу .

В двигателе Дирмана азот нагревается путем объединения его с теплообменной жидкостью внутри цилиндра двигателя.

В 2008 году Патентное ведомство США выдало патент на газотурбинный двигатель, работающий на жидком азоте. 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 электрических генераторов мощностью более 1 кВт, однако более высокая мощность возможна.

Цикл Карно

Хотя жидкий азот холоднее температуры окружающей среды, двигатель с жидким азотом, тем не менее, является примером теплового двигателя . 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, можно рассчитать по законам термодинамики с использованием уравнения эффективности Карно , которое применяется ко всем тепловым двигателям.

Танки

Резервуары для хранения жидкого азота должны быть спроектированы в соответствии со стандартами безопасности, подходящими для сосудов высокого давления , такими как ISO 11439 .

Резервуар с жидким азотом (Измир, Турция)

Резервуар для хранения может быть выполнен из:

Волокнистые материалы значительно легче металлов, но, как правило, 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.

Автомобили с жидким азотом

В 1902 году был продемонстрирован автомобиль Liquid Air , приводимый в движение жидким азотом .

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 дизельные двигатели меньшего размера для охлаждения двигателя при выключенном основном двигателе.

Выход выбросов

Как и другие технологии хранения энергии, не связанные 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 сокращено. Меры по контролю выбросов 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 сравнимы с электромобилями , но для хранения энергии используют жидкий азот вместо батарей. Их потенциальные преимущества перед другими автомобилями включают:

  • Подобно электромобилям, автомобили с жидким азотом в конечном итоге будут питаться от электросети, что облегчит 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.
  • Он может работать как часть трансмиссии комбинированного цикла в сочетании с бензиновым или дизельным двигателем, используя отходящее тепло от одного двигателя для работы другого в системе с турбонаддувом . Он даже может работать как гибридная система.

Недостатки

Главный недостаток - неэффективное использование первичной энергии. Энергия используется для сжижения азота, который, в свою очередь, обеспечивает работу 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 побочным продуктом производства жидкого кислорода.

Критика

Себестоимость продукции

Производство жидкого азота - энергоемкий процесс. Практические в настоящее время холодильные установки, производящие несколько тонн жидкого азота в день, работают примерно на 50% эффективности Карно . В настоящее время излишки жидкого азота производятся как побочный продукт при производстве жидкого кислорода .

Плотность энергии жидкого азота

Любой процесс, основанный на фазовом изменении вещества, будет иметь гораздо меньшую плотность энергии, чем процессы, включающие химическую реакцию в веществе, которые, в свою очередь, имеют более низкие плотности 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 является первичным источником энергии , а не только средством хранения и транспортировки энергии.

Плотность энергии, полученная из изобарной теплоты испарения азота и удельной теплоты в газообразном состоянии, которая теоретически может быть получена 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-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 КПД Карно.

Чтобы двигатель изотермического расширения имел диапазон, сопоставимый с двигателем внутреннего сгорания, требуется изолированное бортовое хранилище объемом 350 литров (92 галлона США). Практичный объем, но заметное увеличение по сравнению с типичным бензобаком объемом 50 литров (13 галлонов США). 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 транспортного средства 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 замерзания потребуются дополнительные теплообменники, вес, сложность, потеря эффективности и расходы.

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 определенный 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 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.

Поскольку коэффициент расширения жидкости и газа этого вещества составляет 1: 694, огромное количество силы может быть создано, если жидкий азот быстро испаряется. Во время инцидента в Техасском университете A&M в 2006 году устройства для сброса давления в резервуаре с жидким азотом были закрыты латунными заглушками. В результате танк катастрофически вышел из строя и взорвался.

Смотрите также

дальнейшее чтение

  • CA Ordonez, MC Plummer, RF Reidy «Криогенные тепловые двигатели для двигателей с нулевым уровнем выбросов» , Труды 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 Версия SI 2-е изд.

Рекомендации

Внешние ссылки