stringtranslate.com

Жидкий водород

Жидкий водород ( H 2 (l) ) — это жидкое состояние элемента водорода . Водород встречается в природе в молекулярной форме H 2 . [4]

Чтобы существовать в виде жидкости, H 2 должен быть охлажден ниже критической точки 33  К. Однако для того, чтобы он находился в полностью жидком состоянии при атмосферном давлении , H 2 должен быть охлажден до 20,28 К (−252,87 °C; −423,17 °F). [5] Обычный метод получения жидкого водорода включает компрессор, напоминающий реактивный двигатель как по внешнему виду, так и по принципу действия. Жидкий водород обычно используется в качестве концентрированной формы хранения водорода . Хранение его в виде жидкости занимает меньше места, чем хранение в виде газа при нормальной температуре и давлении. Однако плотность жидкости очень низкая по сравнению с другими распространенными видами топлива. После сжижения его можно поддерживать в виде жидкости в течение некоторого времени в теплоизолированных контейнерах. [6]

Существует два спиновых изомера водорода : в то время как при комнатной температуре водород в основном представляет собой ортоводород, жидкий водород состоит из 99,79% параводорода и 0,21% ортоводорода. [5]

Для сжижения водорода требуется теоретически минимум 3,3 кВт·ч/кг (12 МДж/кг), а для преобразования водорода в параизомер – 3,9 кВт·ч/кг (14 МДж/кг), но на практике обычно требуется 10–13 кВт·ч/кг (36–47 МДж/кг) по сравнению с теплотворной способностью водорода 33 кВт·ч/кг (119 МДж/кг). [7]

История

Пузырьки жидкого водорода, образующиеся в двух стеклянных колбах в лаборатории Беватрон в 1955 году.
Большой водородный бак в вакуумной камере в исследовательском центре Гленна в Брук-Парке, штат Огайо , 1967 год.
Резервуар для жидкого водорода компании Linde AG в музее Autovision в Альтлусхайме , Германия, 2008 г.
Две таблички Министерства транспорта США , указывающие на наличие опасных материалов , которые используются с жидким водородом

В 1885 году Зигмунт Флорентий Врублевский опубликовал критическую температуру водорода, которая составила 33 К (−240,2 °C; −400,3 °F); критическое давление — 13,3 стандартных атмосфер (195 фунтов на кв. дюйм); а температура кипения — 23 К (−250,2 °C; −418,3 °F).

Водород был сжижен Джеймсом Дьюаром в 1898 году с помощью регенеративного охлаждения и его изобретения, вакуумной колбы . Первый синтез стабильной изомерной формы жидкого водорода, параводорода, был осуществлен Полом Хартеком и Карлом Фридрихом Бонхёффером в 1929 году.

Спиновые изомеры водорода

Два ядра в молекуле дигидрогена могут иметь два различных спиновых состояния. Параводород, в котором два ядерных спина антипараллельны, более стабилен, чем ортоводород, в котором они параллельны. При комнатной температуре газообразный водород в основном находится в ортоизомерной форме из-за тепловой энергии, но ортообогащенная смесь метастабильна только при сжижении при низкой температуре. Он медленно претерпевает экзотермическую реакцию , становясь параизомером, при этом выделяется достаточно энергии в виде тепла, чтобы вызвать закипание части жидкости. [8] Чтобы предотвратить потерю жидкости во время длительного хранения, ее намеренно преобразуют в параизомер в рамках производственного процесса, обычно с использованием катализатора, такого как оксид железа (III) , активированный уголь , платинированный асбест, редкоземельные металлы, соединения урана, оксид хрома (III) или некоторые соединения никеля. [8]

Использует

Жидкий водород является распространённым жидким ракетным топливом для ракетной техники и используется НАСА и ВВС США , которые эксплуатируют большое количество резервуаров с жидким водородом с индивидуальной ёмкостью до 3,8 миллионов литров (1 миллион галлонов США). [9]

В большинстве ракетных двигателей, работающих на жидком водороде, он сначала охлаждает сопло и другие детали, а затем смешивается с окислителем, обычно жидким кислородом , и сжигается для получения воды со следами озона и перекиси водорода . Практические ракетные двигатели H2 O2 работают на богатом топливе, так что выхлоп содержит некоторое количество несгоревшего водорода. Это уменьшает эрозию камеры сгорания и сопла. Это также снижает молекулярный вес выхлопа, что может увеличить удельный импульс , несмотря на неполное сгорание.

Жидкий водород может использоваться в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания или топливного элемента . Различные подводные лодки, включая подводную лодку Тип 212 , подводную лодку Тип 214 и другие, а также концептуальные водородные транспортные средства были построены с использованием этой формы водорода, такие как DeepC , BMW H2R и другие. Из-за его сходства строители иногда могут модифицировать и совместно использовать оборудование с системами, разработанными для сжиженного природного газа (СПГ). Жидкий водород исследуется как топливо с нулевым содержанием углерода для самолетов . Из-за более низкой объемной энергии объемы водорода, необходимые для сгорания, велики. Если не используется прямой впрыск , сильный эффект вытеснения газа также затрудняет максимальное дыхание и увеличивает потери при перекачке.

Жидкий водород также используется для охлаждения нейтронов, которые используются в рассеянии нейтронов . Поскольку нейтроны и ядра водорода имеют схожие массы, обмен кинетической энергией за взаимодействие максимален ( упругое столкновение ). Наконец, перегретый жидкий водород использовался во многих экспериментах с пузырьковой камерой .

Первая термоядерная бомба « Айви Майк » использовала жидкий дейтерий , также известный как водород-2, для ядерного синтеза.

Характеристики

Продуктом сгорания водорода в среде чистого кислорода является исключительно водяной пар. Однако высокие температуры сгорания и присутствующий атмосферный азот могут привести к разрыву связей N≡N, образуя токсичные NOx, если не производить очистку выхлопных газов. [10] Поскольку вода часто считается безвредной для окружающей среды, двигатель, сжигающий ее, можно считать «нулевым выбросом». Однако в авиации водяной пар, выбрасываемый в атмосферу, способствует глобальному потеплению (в меньшей степени, чем CO 2 ). [11] Жидкий водород также имеет гораздо более высокую удельную энергию, чем бензин, природный газ или дизельное топливо. [12]

Плотность жидкого водорода составляет всего 70,85 кг/м3 ( при 20  К ), относительная плотность всего 0,07. Хотя удельная энергия более чем в два раза выше, чем у других видов топлива, это дает ему удивительно низкую объемную плотность энергии , во много раз ниже.

Жидкий водород требует криогенной технологии хранения, такой как специальные термоизолированные контейнеры, и требует специального обращения, общего для всех криогенных видов топлива . Это похоже на жидкий кислород , но более серьезно . Даже в термоизолированных контейнерах трудно поддерживать такую ​​низкую температуру, и водород будет постепенно утекать (обычно со скоростью 1% в день [12] ). Он также имеет много тех же проблем безопасности , что и другие формы водорода, а также он достаточно холодный, чтобы сжижать или даже затвердевать атмосферный кислород, что может представлять опасность взрыва.

Тройная точка водорода находится при 13,81 К [5] и 7,042 кПа. [13]

Безопасность

Из-за низких температур жидкий водород представляет опасность для холодных ожогов . Сам водород биологически инертен, и его единственная опасность для здоровья человека в виде пара — это вытеснение кислорода, что приводит к удушью, а также его очень высокая воспламеняемость и способность детонировать при смешивании с воздухом. Из-за своей воспламеняемости жидкий водород следует хранить вдали от тепла или пламени, если только не предполагается его воспламенение. В отличие от газообразного водорода при температуре окружающей среды, который легче воздуха, водород, недавно испарившийся из жидкости, настолько холоден, что тяжелее воздуха и может образовывать воспламеняющиеся смеси воздуха и водорода тяжелее воздуха.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Термофизические свойства водорода, nist.gov, дата обращения 2012-09-14
  2. ^ abcd Информация, касающаяся жидкого водорода. Архивировано 17 июля 2009 г. на Wayback Machine , harvard.edu, дата обращения 12 июня 2009 г.
  3. ^ СГС: GESTIS 007010
  4. ^ "We've Got (Rocket) Chemistry, Part 1". Блог NASA . 15 апреля 2016 г. Получено 3 октября 2021 г.
  5. ^ abc IPTS-1968, iupac.org, дата обращения 2020-01-01
  6. ^ "Доставка жидкого водорода". Energy.gov . Получено 2022-07-30 .
  7. ^ Гардинер, Монтерей (2009-10-26). Отчет о программе DOE по водороду и топливным элементам: энергетические потребности для сжатия и сжижения газообразного водорода в связи с потребностями в хранении в транспортных средствах (PDF) (Отчет). Министерство энергетики США.
  8. ^ ab "Сжижение "постоянных" газов" (PDF-конспект лекций) . 2011. Получено 16.10.2017 .
  9. ^ Флинн, Томас (2004). Криогенная инженерия, второе издание, исправленное и расширенное. CRC Press. стр. 401. ISBN 978-0-203-02699-1.
  10. ^ Льюис, Аластер К. (2021-07-22). «Оптимизация сопутствующих выгод качества воздуха в водородной экономике: случай для водородных стандартов выбросов NOx». Науки об окружающей среде: Атмосфера . 1 (5): 201–207. doi : 10.1039/D1EA00037C . ISSN  2634-3606. S2CID  236732702.
  11. ^ Ноджоуми, Х. (10.11.2008). «Оценка выбросов парниковых газов при использовании водородных и керосиновых двигателей для самолетов». Международный журнал водородной энергетики . 34 (3): 1363–1369. doi :10.1016/j.ijhydene.2008.11.017.
  12. ^ ab Водород как альтернативное топливо Архивировано 08.08.2008 на Wayback Machine . Almc.army.mil. Получено 28.08.2011.
  13. ^ Cengel, Yunus A. и Turner, Robert H. (2004). Основы термофлюидологии , McGraw-Hill, стр. 78, ISBN 0-07-297675-6