Криогенное топливо — это топливо , которое требует хранения при крайне низких температурах для поддержания его в жидком состоянии. Это топливо используется в технике, работающей в космосе (например, ракеты и спутники ), где обычное топливо использовать нельзя из-за очень низких температур, часто встречающихся в космосе, и отсутствия среды, поддерживающей горение (на Земле в атмосфере много кислорода , тогда как исследуемое человеком пространство — это вакуум , где кислорода практически нет). Криогенное топливо чаще всего представляет собой сжиженные газы, такие как жидкий водород .
Некоторые ракетные двигатели используют регенеративное охлаждение , практику циркуляции криогенного топлива вокруг сопел перед тем, как топливо будет закачано в камеру сгорания и воспламенено. Эта схема была впервые предложена Ойгеном Зенгером в 1940-х годах. Все двигатели в ракете Saturn V , которая отправила первые пилотируемые миссии на Луну, использовали этот элемент конструкции, который до сих пор используется для двигателей на жидком топливе.
Довольно часто жидкий кислород ошибочно называют криогенным топливом , хотя на самом деле он является окислителем , а не топливом — как и в любом двигателе внутреннего сгорания , «топливом» считается только некислородный компонент сгорания , хотя это различие условно.
Российский производитель самолетов Туполев разработал версию своего популярного проекта Ту-154 , но с криогенной топливной системой, получившую обозначение Ту-155 . Используя топливо, называемое сжиженным природным газом (СПГ), его первый полет состоялся в 1989 году.
Криогенное топливо можно разделить на две категории: инертное и легковоспламеняющееся или горючее. Оба типа используют большое соотношение объемов жидкости и газа, которое возникает при переходе жидкости в газовую фазу. Возможность использования криогенного топлива связана с тем, что известно как высокая скорость массового расхода. [1] При регулировании энергия высокой плотности криогенного топлива используется для создания тяги в ракетах и контролируемого расхода топлива. В следующих разделах приведены дополнительные подробности.
Эти типы топлива обычно используют регулирование производства газа и потока для приведения в действие поршней в двигателе. Значительное увеличение давления контролируется и направляется к поршням двигателя. Поршни движутся за счет механической энергии, преобразованной из контролируемого производства газообразного топлива. Яркий пример можно увидеть в жидком воздушном транспортном средстве Питера Дирмана. Некоторые распространенные инертные виды топлива включают:
Эти виды топлива используют полезные криогенные свойства жидкости вместе с горючей природой вещества в качестве источника энергии. Эти виды топлива хорошо известны прежде всего по их использованию в ракетах . Некоторые распространенные горючие виды топлива включают:
Горючие криогенные виды топлива предлагают гораздо больше полезности, чем большинство инертных видов топлива. Сжиженный природный газ, как и любое топливо, будет гореть только при правильном смешивании с нужным количеством воздуха. Что касается СПГ, то основная часть эффективности зависит от метанового числа, которое является газовым эквивалентом октанового числа. [2] Оно определяется на основе содержания метана в сжиженном топливе и любом другом растворенном газе и варьируется в зависимости от экспериментальной эффективности. [2] Максимизация эффективности в двигателях внутреннего сгорания будет результатом определения правильного соотношения топлива и воздуха и использования дополнительных других углеводородов для дополнительного оптимального сгорания.
Процессы сжижения газа совершенствовались в течение последних десятилетий с появлением лучшего оборудования и контроля потерь тепла в системе. Типичные методы используют преимущество температуры газа, которая резко охлаждается по мере того, как высвобождается контролируемое давление газа. Достаточное повышение давления и последующее снижение давления могут сжижать большинство газов, как показано на примере эффекта Джоуля-Томсона . [3]
Хотя сжижение природного газа для хранения, транспортировки и использования экономически эффективно, примерно 10–15 процентов газа потребляется в ходе процесса. [4] Оптимальный процесс содержит четыре этапа охлаждения пропаном и два этапа охлаждения этиленом. Может быть добавлен дополнительный этап хладагента , но дополнительные затраты на оборудование экономически не оправданы. [ необходима цитата ] Эффективность может быть связана с каскадными процессами чистых компонентов, которые минимизируют общую разницу температур источника и стока, связанную с конденсацией хладагента. Оптимизированный процесс включает оптимизированную рекуперацию тепла вместе с использованием чистых хладагентов. Все проектировщики процессов на заводах по сжижению, использующих проверенные технологии, сталкиваются с одной и той же проблемой: эффективно охлаждать и конденсировать смесь с чистым хладагентом. В оптимизированном каскадном процессе смесь, подлежащая охлаждению и конденсации, является исходным газом. В процессах с использованием смешанного хладагента пропана две смеси, требующие охлаждения и конденсации, — это исходный газ и смешанный хладагент. Главным источником неэффективности является теплообменная линия в процессе сжижения. [5]