Криогенное топливо — это топливо , которое требует хранения при чрезвычайно низких температурах для поддержания его в жидком состоянии. Это топливо используется в машинах, работающих в космосе (например, ракетах и спутниках ), где обычное топливо невозможно использовать из-за очень низких температур, часто встречающихся в космосе, и отсутствия среды, поддерживающей горение (на Земле много кислорода) . в атмосфере , тогда как космос, доступный для исследования человеком, представляет собой вакуум , в котором кислород практически отсутствует). 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 закачивается в камеру сгорания и воспламеняется. Впервые такое расположение было предложено Ойгеном Сенгером в 1940-х годах. Во всех двигателях ракеты «Сатурн-5» , отправившей первые пилотируемые миссии на Луну, использовался 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 авиастроительный завод Туполев разработал версию своего популярного проекта Ту-154 , но с криогенной топливной системой, получившую обозначение Ту-155 . На топливе, называемом 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 так называемым высоким массовым расходом. [1] При регулировании энергия высокой плотности криогенного топлива используется для создания тяги в ракетах и контролируемого расхода топлива. В следующих разделах представлена дополнительная информация.
В этих типах топлива обычно используется регулирование выработки газа и его подачи на поршни двигателя. Значительное увеличение давления контролируется и направляется к поршням двигателя. Поршни движутся за счет механической энергии, преобразуемой в результате контролируемой добычи газообразного топлива. Яркий пример можно увидеть в жидкостном воздушном транспортном средстве Питера Дирмана. Некоторые распространенные инертные виды топлива включают:
В этом топливе в качестве источника энергии используются полезные криогенные свойства жидкости, а также легковоспламеняющаяся природа вещества. Эти виды топлива хорошо известны прежде всего благодаря использованию в ракетах . Некоторые распространенные горючие виды топлива включают:
Горючее криогенное топливо предлагает гораздо больше пользы, чем большинство инертных видов топлива. Сжиженный природный газ, как и любое топливо, воспламеняется только при правильном смешивании с нужным количеством воздуха. Что касается СПГ, то большая часть эффективности зависит от метанового числа, которое является газовым эквивалентом октанового числа. [2] Это значение определяется на основе содержания метана в сжиженном топливе и других растворенных газах и варьируется в зависимости от экспериментальной эффективности. [2] Максимизация эффективности двигателей внутреннего сгорания будет результатом определения правильного соотношения топлива и воздуха и использования дополнительных углеводородов для дополнительного оптимального сгорания.
Процессы сжижения газа совершенствуются за последние десятилетия с появлением более совершенного оборудования и контроля тепловых потерь в системе. В типичных технологиях используется резкое охлаждение температуры газа по мере сброса контролируемого давления газа. Достаточное повышение давления, а затем последующая разгерметизация могут сжижать большинство газов, примером чего является эффект Джоуля-Томсона . [3]
Хотя сжижение природного газа для хранения, транспортировки и использования экономически выгодно, примерно от 10 до 15 процентов газа расходуется во время этого процесса. [4] Оптимальный процесс включает четыре стадии охлаждения пропаном и две стадии охлаждения этиленом. Возможно добавление дополнительной ступени хладагента , но дополнительные затраты на оборудование экономически не оправданы. [ нужна цитация ] Эффективность может быть связана с каскадными процессами чистых компонентов, которые сводят к минимуму общую разницу температур источника и стока, связанную с конденсацией хладагента. Оптимизированный процесс включает оптимизированную рекуперацию тепла и использование чистых хладагентов. Все проектировщики заводов по сжижению газа, использующие проверенные технологии, сталкиваются с одной и той же задачей: эффективно охладить и конденсировать смесь чистым хладагентом. В оптимизированном каскадном процессе смесь, подлежащая охлаждению и конденсации, является сырьевым газом. В процессах со смешанным хладагентом пропана две смеси, требующие охлаждения и конденсации, — это сырьевой газ и смешанный хладагент. Главный источник неэффективности заключается в теплообменной системе во время процесса сжижения. [5]