Двигатель на жидком азоте работает на жидком азоте , который хранится в баке. Традиционные конструкции азотных двигателей работают путем нагрева жидкого азота в теплообменнике , извлечения тепла из окружающего воздуха и использования полученного сжатого газа для работы поршневого или роторного двигателя. Были продемонстрированы транспортные средства, работающие на жидком азоте, но они не используются в коммерческих целях. Одно из таких транспортных средств, Liquid Air , было продемонстрировано в 1902 году.
Движение на жидком азоте также может быть включено в гибридные системы, например, аккумуляторная электрическая тяга и топливные баки для подзарядки батарей. Такой тип системы называется гибридной жидкоазотно-электрической тягой. Кроме того, рекуперативное торможение также может использоваться в сочетании с этой системой.
Одним из преимуществ автомобиля на жидком азоте является то, что выхлопной газ — это просто азот, компонент воздуха, и, таким образом, он не производит локального загрязнения воздуха в выбросах выхлопной трубы. Это не делает его полностью экологически чистым, поскольку для сжижения азота изначально требовалась энергия, но этот процесс сжижения может быть удален от работы автомобиля и, в принципе, может быть обеспечен возобновляемой энергией или чистым источником энергии .
Жидкий азот вырабатывается с помощью криогенных или обратных двигателей Стирлинга [1] [2] [3], которые сжижают основной компонент воздуха, азот (N 2 ). Охладитель может работать от электричества или посредством прямой механической работы от гидро- или ветровых турбин . Жидкий азот распределяется и хранится в изолированных контейнерах . Изоляция уменьшает поток тепла в хранимый азот; это необходимо, поскольку тепло из окружающей среды кипит жидкость, которая затем переходит в газообразное состояние. Уменьшение притока тепла снижает потери жидкого азота при хранении. Требования к хранению не позволяют использовать трубопроводы в качестве средства транспортировки. Поскольку магистральные трубопроводы были бы дорогостоящими из-за требований к изоляции, было бы дорого использовать удаленные источники энергии для производства жидкого азота. Нефтяные запасы, как правило, находятся на большом расстоянии от потребления, но могут транспортироваться при температуре окружающей среды.
Потребление жидкого азота по сути является обратным производством. Двигатель Стирлинга или криогенный тепловой двигатель предлагает способ питания транспортных средств и средство для выработки электроэнергии. Жидкий азот также может служить прямым охладителем для холодильников , электрооборудования и кондиционеров . Потребление жидкого азота по сути является кипением и возвратом азота в атмосферу .
В двигателе Дирмана азот нагревается путем его соединения 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, и расширяющийся газ объединяется с поступающим сжатым воздухом для создания высокоскоростного потока газа, который выбрасывается из задней части турбины. Полученный поток газа может использоваться для привода генераторов или других устройств. Система не была продемонстрирована для питания электрогенераторов мощностью более 1 кВт, [7] однако возможна более высокая выходная мощность.
Хотя жидкий азот холоднее окружающей среды, двигатель на жидком азоте, тем не менее, является примером теплового двигателя . Тепловой двигатель работает, извлекая тепловую энергию из разницы температур между горячим и холодным резервуаром; в случае двигателя на жидком азоте «горячим» резервуаром является воздух в окружающей среде («комнатной температуры»), который используется для кипения азота.
Таким образом, азотный двигатель извлекает энергию из тепловой энергии воздуха, а эффективность преобразования, с которой он преобразует энергию, можно рассчитать по законам термодинамики с использованием уравнения КПД Карно , которое применимо ко всем тепловым двигателям.
Резервуары для хранения жидкого азота должны быть спроектированы в соответствии со стандартами безопасности, соответствующими сосудам под давлением , например, ISO 11439. [8]
.JPG/1280px-Liquid_nitrogen_tank_(Izmir,_Turkey).JPG)
Резервуар для хранения может быть изготовлен из:
Волокнистые материалы значительно легче металлов, но, как правило, более дороги. Металлические резервуары могут выдерживать большое количество циклов давления, но их необходимо периодически проверять на предмет коррозии. Жидкий азот, LN2, обычно перевозят в изолированных резервуарах объемом до 50 литров при атмосферном давлении. Эти резервуары, будучи резервуарами без давления, не подлежат проверке. Очень большие резервуары для LN2 иногда нагнетают до давления менее 25 фунтов на квадратный дюйм, чтобы облегчить передачу жидкости в месте использования.
В 1902 году было продемонстрировано транспортное средство, работающее на жидком азоте — Liquid Air .
В июне 2016 года в Лондоне [ сроки? ] , Великобритания , начнутся испытания на парках супермаркетов J. Sainsbury's для доставки продуктов питания: использование азотного двигателя Dearman для подачи питания на охлаждение продуктов питания, когда автомобиль неподвижен и основной двигатель выключен. В настоящее время грузовики для доставки в основном имеют вторые меньшие дизельные двигатели для охлаждения, когда основной двигатель выключен. [9]
Как и другие технологии хранения энергии без сжигания, транспортное средство на жидком азоте перемещает источник выбросов из выхлопной трубы транспортного средства 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 разбросанных транспортных средств.
Транспортные средства на жидком азоте во многом сопоставимы с электромобилями , но используют жидкий азот для хранения энергии вместо батарей. Их потенциальные преимущества перед другими транспортными средствами включают:
Главным 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. Для автомобилей на жидком азоте электрическая энергия теряется в процессе сжижения азота.
Жидкий азот недоступен на общественных автозаправочных станциях, однако у большинства поставщиков сварочного газа имеются распределительные системы, а жидкий азот является распространенным побочным продуктом производства жидкого кислорода.
Производство жидкого азота является энергоемким процессом. В настоящее время практические холодильные установки, производящие несколько тонн/день жидкого азота, работают примерно на 50% эффективности Карно . [10] В настоящее время избыток жидкого азота производится как побочный продукт при производстве жидкого кислорода . [4]
Любой процесс, основанный на фазовом изменении вещества, будет иметь гораздо более низкую плотность энергии , чем процессы, включающие химическую реакцию в веществе, которые в свою очередь имеют более низкую плотность энергии, чем ядерные реакции. Жидкий азот как хранилище энергии имеет низкую плотность энергии. Жидкие углеводородные топлива, по сравнению с ними, имеют высокую плотность энергии. Высокая плотность энергии делает логистику транспортировки и хранения более удобной. Удобство является важным фактором принятия 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 средой для хранения и транспортировки энергии.
Плотность энергии, полученная из изобарической 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), тогда как в реальных условиях обычно можно достичь только 97 Вт·ч/кг. Это сопоставимо со 100–250 Вт·ч/кг для литий-ионного аккумулятора и 3000 Вт·ч/кг для бензинового двигателя внутреннего сгорания, работающего с тепловым КПД 28% , что в 14 раз больше плотности жидкого азота, используемого при КПД Карно. [11]
Для того чтобы изотермический двигатель расширения имел диапазон, сопоставимый с двигателем внутреннего сгорания, требуется 350-литровый (92 галлона США) изолированный бортовой резервуар для хранения. [11] Практичный объем, но заметное увеличение по сравнению с типичным 50-литровым (13 галлонов США) бензобаком. Добавление более сложных циклов питания снизило бы это требование и помогло бы обеспечить работу без замерзания. Однако не существует коммерчески практичных примеров использования жидкого азота для движения транспортных средств.
В отличие от двигателей внутреннего сгорания, использование криогенной рабочей жидкости требует теплообменников для нагрева и охлаждения рабочей жидкости. Во влажной среде образование инея будет препятствовать тепловому потоку 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 опустится ниже точки замерзания. Для обеспечения работы без замерзания потребуются дополнительные теплообменники, вес, сложность, потеря эффективности и расходы. [11]
Как бы эффективна ни была изоляция азотного топливного бака, неизбежно будут потери из-за испарения в атмосферу. Если транспортное средство хранится в плохо проветриваемом помещении, существует некоторый риск того, что утечка азота может снизить концентрацию кислорода в воздухе и вызвать удушье . Поскольку азот — это бесцветный и не имеющий запаха газ, 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 жидкий азот холоднее 90,2К, кислород из атмосферы может конденсироваться. Жидкий кислород может спонтанно и бурно реагировать с органическими химикатами, включая нефтепродукты, такие как асфальт. [12]
Поскольку отношение расширения жидкости к газу этого вещества составляет 1:694, при быстром испарении жидкого азота может возникнуть огромная сила. В инциденте 2006 года в Техасском университете A&M устройства сброса давления в баке с жидким азотом были запечатаны латунными заглушками. В результате бак катастрофически вышел из строя и взорвался. [13]
{{citation}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )