Двигатель на жидком азоте: Как работает двигатель на жидком азоте

Как работает двигатель на жидком азоте

Содержание

1. Транспортные средства на жидком азоте
2. Содержание
3. Преимущества
4. Недостатки
5. Высокие материальные затраты
6. Низкая энергоплотность жидкого азота
7. Образование жидкого кислорода
8. Требования к герметичности
9. Обмерзание
10. См. также
11. Литература
12. Ссылки
13. Как работает двигатель на жидком азоте
14. Содержание
15. Описание
16. Цикл Карно
17. Танки
18. Транспортные средства на жидком азоте
19. Выход выбросов
20. Преимущества
21. Недостатки
22. Критика
23. Себестоимость продукции
24. Плотность энергии жидкого азота
25. Образование инея
26. Безопасность
27. Содержание
28. Описание
29. Цикл Карно
30. Танки
31. Транспортные средства на жидком азоте
32. Выход выбросов
33. Преимущества
34. Недостатки
35. Критика
36. Себестоимость продукции
37. Плотность энергии жидкого азота
38. Образование инея
39. Безопасность
40. Видео

Транспортные средства на жидком азоте

Транспортные средства на жидком азоте получают энергию от жидкого азота, запасённого в специальных баках. Обычно азотный двигатель работает следующим образом: жидкий азот подогревается в теплообменнике, получая тепло от окружающего воздуха, затем испарившийся азот, преобразованный в газ высокого давления, поступает в двигатель, где, воздействуя на поршень или на ротор двигателя, передаёт ему энергию. Транспортные средства на жидком азоте демонстрировались на публике, однако не получили коммерческого применения. Одним из таких транспортных средств являлся автомобиль, продемонстрированный англо-американской фирмой «Жидкий воздух» в 1902 году. По заявлению фирмы разработчика, этот автомобиль был способен проехать сотни километров на одной заправке.

Энергия жидкого азота может быть использована также в гибридных системах, в частности, в электромобилях. Кроме того, системы рекуперативного торможения также могут быть использованы в связке с системами, работающими на жидком азоте.

Содержание

Преимущества

Автомобили на жидком азоте сравнимы по многим параметрам с электромобилями. Их преимущества по сравнению с другими видами автомобилей следующие:

Высокие материальные затраты

Производство жидкого азота — это энергозатратный процесс, что приводит к высокой стоимости жидкого азота. [ уточнить ]

Низкая энергоплотность жидкого азота

Любой продукт, полученный в результате процесса фазового перехода вещества, будет в конечном итоге иметь более низкую плотность энергии, чем продукт, полученный в результате процесса, основанного на химических реакциях. В свою очередь, продукты, полученные в результате химических реакций, имеют энергетическую плотность ниже, чем у веществ, испытывающих ядерные превращения. Поэтому жидкий азот как энергоноситель имеет низкую плотность энергии. Жидкое углеводородное топливо в сравнении с жидким азотом имеет высокую плотность энергии. Это важный аспект, потому высокая плотность энергии делает распределение, транспортировку и хранение топлива более удобным. В свою очередь, удобство — это важный фактор для потребительских качеств товара. Удобство хранения нефтепродуктов в сочетании с их низкой стоимостью делает их непревзойдёнными видами топлив по потребительским качествам. Кроме того, бензин и дизельное топливо являются первичными источниками энергии, для которых не требуются вещества-посредники для запасания и транспортировки энергии.

Образование жидкого кислорода

Поскольку жидкий азот N2 имеет температуру менее 90.2K, то из атмосферного воздуха может конденсироваться кислород. Капли жидкого кислорода могут попадать на различные окружающие предметы. В свою очередь, жидкий кислород способен спонтанно и довольно бурно реагировать с органическими химическими веществами, включая такие нефтепродукты как асфальт.

Требования к герметичности

Пролитая криогенная жидкость может представлять опасность. В частности, попадание жидкого азота на поверхность человеческого тела может приводить к обморожениям. Жидкий азот в контакте с некоторыми материалами делает их чрезвычайно хрупкими.

Обмерзание

В отличие от двигателей внутреннего сгорания, криогенные системы, работающие, в частности, на жидком азоте, требуют наличия теплообменников для нагревания и охлаждения рабочей жидкости. Влага из окружающего воздуха может намерзать на деталях и узлах теплообменников, что затрудняет течение тепловых потоков. Предотвращение обмерзания требует решения соответствующих инженерных задач и установки дополнительного оборудования. Это приводит к увеличению массы транспортного средства, повышению сложности конструкции, к снижению КПД и увеличению стоимости.

См. также

Литература

Ссылки

Что такое wiki2.info Вики является главным информационным ресурсом в интернете. Она открыта для любого пользователя. Вики это библиотека, которая является общественной и многоязычной.

Основа этой страницы находится в Википедии. Текст доступен по лицензии CC BY-SA 3.0 Unported License.

Wikipedia® — зарегистрированный товарный знак организации Wikimedia Foundation, Inc. wiki2.info является независимой компанией и не аффилирована с Фондом Викимедиа (Wikimedia Foundation).

Источник

Как работает двигатель на жидком азоте

ДВИГАТЕЛИ НА АЗОТНОМ ТОПЛИВЕ

Вадим Георгиевич НЕКРАСОВ, доцент кафедры автомобильного транспорта Акгюбинского университета, к. т.н.,
Андрей Фадеевич МАКАРОВ, с.н.с. НЦ ВостНИИ, г. Кемерово,
Александр Александрович ЗЛЫДЕННЫЙ, директор машиностроительного завода «Алькор», Алма-Ата, Казахстан,
Ахмет Жакиевич МУРЗАГАЛИЕВ, декан Технического факультета Актюбинского университета, к.т.н.

Тенденция роста стоимости жидких углеводородов и перспектива сокращения объемов добычи нефти являются причинами поиска альтернативных топлив. Особо остро стоит вопрос о замене моторных видов топлива. Производимые в настоящее время альтернативные виды топлива, такие как биоэтанол и биодизель, не могут решить проблемы, так как их производство приводит к конфликту «топливо или продовольствие». Кроме того, производство биотоплива имеет ограниченные возможности на уровне 7…10 % объема потребляемого в настоящее время углеводородного топлива. Другие виды альтернативных топлив, такие как синтетические жидкие топлива, производимые из угля, природного газа имеют ограниченные возможности по условиям стоимости и невозобновляемости сырья. Известны попытки использования в качестве моторного топлива продуктов химического производства, например, метилового спирта (СН₃ОН) или диметилового эфира (С₂Н₆О).

В ракетно-космической технике в качестве топлива используют синтетические энергоносители бинарного типа. Применение в наземной технике общего назначения таких топлив невозможно ввиду токсичности, пожаро- и взрывоопасности этих веществ. Еще меньше перспектив для использования в наземной технике имеют твердые виды унитарного топлива, содержащие в своем составе как горючий компонент, так и окислитель. Как правило, твердотопливные двигатели являются одноразовыми.

Учитывая положительные особенности синтетических топлив и их недостатки, была поставлена задача найти такое унитарное топливо, которое удовлетворяет ряду требований и обеспечивает возможность его использования в наземной технике массового применения. Указанные требования включают безопасность, технологичность, совместимость с конструкционными материалами, наличие освоенных технологий производства, доступность и возобновляемость сырья, низкую стоимость конечного продукта, используемого в качестве топлива.

Один килограмм сбалансированной по составу смеси в результате реакции образует 900 л парогаза (смеси водяных паров, азота и углекислого газа), кроме этого выделяется 850 ккал тепловой энергии, повышающей температуру. По энерговыделению отмеченная композиция веществ близка к пироксилиновому пороху и может быть названа «азотным топливом». Азот выделяется в молекулярном виде.

Поршневые двигатели на азотном топливе

Для использования азотного топлива в существующих ДВС необходима их модернизация, так как имеются некоторые особенности. Так, азотное топливо при определенном соотношении компонентов может использоваться без потребления атмосферного воздуха. В этом случае режим работы ДВС реализуем в двухтактном цикле.

Расчеты показывают, что наибольшая термическая эффективность достигается, если в составе топлива будет некоторый избыток горючей составляющей, а недостающий окислитель будет получен в виде предварительно сжатого воздуха. Этот режим можно реализовать в типовом двухтактном цикле с продувкой цилиндра воздухом.

Винтовые ступенчатые двигатели

Особенности азотного топлива позволяют рассматривать перспективные схемы двигателей, в которых реализуются циклы, обладающие рядом преимуществ по сравнению с известными для современных ДВС. Как отмечалось выше, азотное топливо при сбалансированном составе горючего и окислителя не требует использования атмосферного воздуха, а процесс можно вести при температуре не более 500…700 °C. Это дает основание рассматривать возможность применения поточных процессов в двигателях объемного типа.

Винтовой элемент с цилиндрическими роторами обеспечивает степень сжатия/расширения около 2,5. Для получения суммарной степени расширения на уровне 16 требуются три ступени расширения.

Винтовые двигатели глубокого расширения

Винтовой двигатель объемного типа с поточным процессом глубокого расширения реализуется при использовании конических роторов с винтовой нарезкой. В такой расширительной машине за один проход газов обеспечивается степень расширения 18. 20, что характерно для дизельного двигателя.

Расчеты показывают, что мощность 10 кВт при частоте вращения вала 2000 мин-1 может быть получена при большом диаметре ротора 100 мм и его длине 230 мм. Мощность 100 кВт можно получить при той же частоте вращения, диаметре ротора 200 мм и длине 500 мм. Термический к.п.д. в таких двигателях ожидается на уровне 60 %, т.е. близок к поршневым вариантам. В настоящее время разработана технология изготовления сложных пространственных элементов, необходимых для такого двигателя.

Второй вариант ротационного двигателя назван «роторно-волновым». В таком двигателе корпус выполнен коническим с имеющимися винтовыми каналами на внутренней стороне. Ротор также имеет винтовую форму. Кроме того, он помимо вращения совершает движения по образующей конуса.

В результате такого сложного движения винтовые выступы на роторе отсекают объемы газа, которые сдвигаются от центральной узкой части корпуса к периферийной, расширяясь и за счет давления газов создавая вращательный момент на роторе.
Изготовление волнового двигателя требует разработки технологии формирования сложных поверхностей корпуса и ротора.
Таким образом, возможности организации процесса на азотном топливе при высоком давлении, но при умеренной температуре газа открывают перспективу создания нового типа двигателя.

[Напоминаем, что Интернет-вариант статьи сильно сокращен. Ред.]

Источник

А жидкий азот питается от жидкий азот, который хранится в резервуаре. Традиционные конструкции двигателей с азотом работают за счет нагрева жидкого азота в теплообменник, отводя тепло из окружающего воздуха и используя полученный сжатый газ для работы поршневого или роторного двигателя. Были продемонстрированы автомобили, приводимые в движение жидким азотом, но они не используются в коммерческих целях. Один такой автомобиль, Жидкий воздух был продемонстрирован в 1902 году.

Двигательная установка на жидком азоте также может быть включена в гибридные системы, например, аккумуляторная электрическая силовая установка и топливные баки для подзарядки аккумуляторов. Такая система называется гибридной жидко-азотно-электрической двигательной установкой. Дополнительно, рекуперативное торможение также может использоваться вместе с этой системой.

Одним из преимуществ транспортного средства на жидком азоте является то, что выхлопной газ представляет собой просто азот, компонент воздуха, поэтому он не производит локализованных загрязнение 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 осуществляться от источника Возобновляемая энергия или чистая энергия источник.

Содержание

Описание

Жидкий азот образуется криогенный или наоборот двигатель Стирлинга [1] [2] [3] охладители, разжижающие основной компонент воздуха, азот (N₂). Кулер может работать от электричества или от прямого механического привода. гидро илиВетряные турбины. Жидкий азот распределяется и хранится в изолированные контейнеры. 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 транспортных средств. 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.

в Dearman Engine азот нагревается путем объединения его с теплоносителем внутри цилиндра двигателя. [4] [5]

В 2008 году Патентное бюро 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 газовый поток можно использовать для привода генераторов или других устройств. Система не была продемонстрирована для питания электрогенераторов мощностью более 1 кВт, [7] однако возможна более высокая производительность.

Цикл Карно

Таким образом, азотный двигатель извлекает энергию из тепловой энергии воздуха, и эффективность преобразования, с которой он преобразует энергию, может быть рассчитана из законы термодинамики с помощью Эффективность Карно уравнение, применимое ко всем тепловым двигателям.

Танки

Резервуары для хранения жидкого азота должны быть спроектированы в соответствии со стандартами безопасности, соответствующими сосуд под давлением, такие как ISO 11439. [8]

Резервуар для хранения может быть выполнен из:

Волокнистые материалы значительно легче металлов, но обычно 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.

Транспортные средства на жидком азоте

Транспортное средство, приводимое в движение жидким азотом, Жидкий воздух, был продемонстрирован в 1902 году.

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 меньшие дизельные двигатели для охлаждения двигателя при выключенном основном двигателе. [9]

Выход выбросов

Подобно другим технологиям хранения энергии, не связанным 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 уменьшено. Меры по контролю за выбросами 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 сопоставимы с электрические транспортные средства, но используйте жидкий азот для хранения энергии вместо батарей. Их потенциальные преимущества перед другими автомобилями включают:

Недостатки

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

Плотность энергии жидкого азота

Для того чтобы двигатель изотермического расширения имел диапазон, сопоставимый с двигателем внутреннего сгорания, требуется изолированное бортовое хранилище объемом 350 литров (92 галлона США). [11] Практичный объем, но заметное увеличение по сравнению с типичным 50-литровым (13 галлонами США) бензиновым баком. 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 транспортных средств 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 замораживания потребуются дополнительные теплообменники, вес, сложность, потеря эффективности и расходы. [11]

Безопасность

Криогенные жидкости опасны при проливании. Жидкий азот может вызвать обморожение и может 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. [12]

Поскольку жидкость в газ степень расширения этого вещества составляет 1: 694, огромное количество силы может быть создано, если жидкий азот быстро испаряется. Во время инцидента в 2006 г. Техасский университет A&M, устройства сброса давления бака с жидким азотом закрывались латунными пробками. В результате танк катастрофически вышел из строя и взорвался. [13]

Источник

А жидкий азот питается от жидкий азот, который хранится в резервуаре. Традиционные конструкции двигателей с азотом работают за счет нагрева жидкого азота в теплообменник, отводя тепло из окружающего воздуха и используя полученный сжатый газ для работы поршневого или роторного двигателя. Были продемонстрированы автомобили, приводимые в движение жидким азотом, но они не используются в коммерческих целях. Один такой автомобиль, Жидкий воздух был продемонстрирован в 1902 году.

Двигательная установка на жидком азоте также может быть включена в гибридные системы, например, аккумуляторная электрическая силовая установка и топливные баки для подзарядки аккумуляторов. Такая система называется гибридной жидко-азотно-электрической двигательной установкой. Дополнительно, рекуперативное торможение также может использоваться вместе с этой системой.

Одним из преимуществ транспортного средства на жидком азоте является то, что выхлопной газ представляет собой просто азот, компонент воздуха, поэтому он не производит локализованных загрязнение 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 осуществляться от источника Возобновляемая энергия или чистая энергия источник.

Содержание

Описание

Жидкий азот образуется криогенный или наоборот двигатель Стирлинга [1] [2] [3] охладители, разжижающие основной компонент воздуха, азот (N₂). Кулер может работать от электричества или от прямого механического привода. гидро илиВетряные турбины. Жидкий азот распределяется и хранится в изолированные контейнеры. 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 транспортных средств. 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.

в Dearman Engine азот нагревается путем объединения его с теплоносителем внутри цилиндра двигателя. [4] [5]

В 2008 году Патентное бюро 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 газовый поток можно использовать для привода генераторов или других устройств. Система не была продемонстрирована для питания электрогенераторов мощностью более 1 кВт, [7] однако возможна более высокая производительность.

Цикл Карно

Таким образом, азотный двигатель извлекает энергию из тепловой энергии воздуха, и эффективность преобразования, с которой он преобразует энергию, может быть рассчитана из законы термодинамики с помощью Эффективность Карно уравнение, применимое ко всем тепловым двигателям.

Танки

Резервуары для хранения жидкого азота должны быть спроектированы в соответствии со стандартами безопасности, соответствующими сосуд под давлением, такие как ISO 11439. [8]

Резервуар для хранения может быть выполнен из:

Волокнистые материалы значительно легче металлов, но обычно 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.

Транспортные средства на жидком азоте

Транспортное средство, приводимое в движение жидким азотом, Жидкий воздух, был продемонстрирован в 1902 году.

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 меньшие дизельные двигатели для охлаждения двигателя при выключенном основном двигателе. [9]

Выход выбросов

Подобно другим технологиям хранения энергии, не связанным 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 уменьшено. Меры по контролю за выбросами 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 сопоставимы с электрические транспортные средства, но используйте жидкий азот для хранения энергии вместо батарей. Их потенциальные преимущества перед другими автомобилями включают:

Недостатки

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

Плотность энергии жидкого азота

Для того чтобы двигатель изотермического расширения имел диапазон, сопоставимый с двигателем внутреннего сгорания, требуется изолированное бортовое хранилище объемом 350 литров (92 галлона США). [11] Практичный объем, но заметное увеличение по сравнению с типичным 50-литровым (13 галлонами США) бензиновым баком. 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 транспортных средств 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 замораживания потребуются дополнительные теплообменники, вес, сложность, потеря эффективности и расходы. [11]

Безопасность

Криогенные жидкости опасны при проливании. Жидкий азот может вызвать обморожение и может 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. [12]

Поскольку жидкость в газ степень расширения этого вещества составляет 1: 694, огромное количество силы может быть создано, если жидкий азот быстро испаряется. Во время инцидента в 2006 г. Техасский университет A&M, устройства сброса давления бака с жидким азотом закрывались латунными пробками. В результате танк катастрофически вышел из строя и взорвался. [13]

Источник

Видео

Что если ЗАЛИТЬ ЖИДКИЙ АЗОТ в ДВИГАТЕЛЬ?

ЧТО ЕСЛИ СУНУТЬ РАСКАЛЕННЫЙ КИПЯТИЛЬНИК в ЖИДКИЙ АЗОТ..?! РАЗНИЦА ТЕМПЕРАТУР в ДЕЙСТВИИ…

Отмораживаем AMD FX жидким азотом.

Разгоняем FX на жидком азоте

Что будет если ОБЛИТЬ ЖИДКИМ АЗОТОМ ДВИГАТЕЛЬ

Жидкий азот VS Живая рыба Liquid nitrogen VS Live fish

ЗАКИСЬ АЗОТА в ЖИГУ — ОНА ПОЕХАЛА!!!

СВЕРХПРОВОДНИК И КВАНТОВАЯ ЛЕВИТАЦИЯ!

Работа с жидким азотом

Закись азота | Science Garage На Русском

Двигатель на жидком азоте

А жидкий азот питается от жидкий азот, который хранится в резервуаре. Традиционные конструкции двигателей с азотом работают за счет нагрева жидкого азота в теплообменник, отводя тепло из окружающего воздуха и используя полученный сжатый газ для работы поршневого или роторного двигателя. Были продемонстрированы автомобили, приводимые в движение жидким азотом, но они не используются в коммерческих целях. Один такой автомобиль, Жидкий воздух был продемонстрирован в 1902 году.

Двигательная установка на жидком азоте также может быть включена в гибридные системы, например, аккумуляторная электрическая силовая установка и топливные баки для подзарядки аккумуляторов. Такая система называется гибридной жидко-азотно-электрической двигательной установкой. Дополнительно, рекуперативное торможение также может использоваться вместе с этой системой.

Одним из преимуществ транспортного средства на жидком азоте является то, что выхлопной газ представляет собой просто азот, компонент воздуха, поэтому он не производит локализованных загрязнение 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 осуществляться от источника Возобновляемая энергия или чистая энергия источник.

Содержание

• 1 Описание
  • 1.1 Цикл Карно
  • 1.2 Танки
• 2 Транспортные средства на жидком азоте
  • 2.1 Выход выбросов
  • 2.2 Преимущества
  • 2.3 Недостатки
• 3 Критика
  • 3.1 Себестоимость продукции
  • 3.2 Плотность энергии жидкого азота
  • 3.3 Образование инея
  • 3.4 Безопасность
• 4 Смотрите также
• 5 дальнейшее чтение
• 6 использованная литература
• 7 внешние ссылки

Описание

Жидкий азот образуется криогенный или наоборот двигатель Стирлинга ^[1][2][3] охладители, разжижающие основной компонент воздуха, азот (N₂). Кулер может работать от электричества или от прямого механического привода. гидро илиВетряные турбины. Жидкий азот распределяется и хранится в изолированные контейнеры. 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 транспортных средств. 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. В двигатель Стирлинга или криогенный тепловой двигатель предлагает способ питания транспортных средств и средства для выработки электроэнергии. Жидкий азот также может служить прямым охлаждающим средством для холодильники, электрооборудование и кондиционирование воздуха единицы. Фактически потребление жидкого азота заключается в кипении и возврате азот к атмосфера.

в Dearman Engine азот нагревается путем объединения его с теплоносителем внутри цилиндра двигателя. ^[4][5]

В 2008 году Патентное бюро 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 газовый поток можно использовать для привода генераторов или других устройств. Система не была продемонстрирована для питания электрогенераторов мощностью более 1 кВт,^[7] однако возможна более высокая производительность.

Цикл Карно

Хотя жидкий азот холоднее, чем температура окружающей среды, двигатель с жидким азотом, тем не менее, является примером Тепловой двигатель. 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, может быть рассчитана из законы термодинамики с помощью Эффективность Карно уравнение, применимое ко всем тепловым двигателям.

Танки

Резервуары для хранения жидкого азота должны быть спроектированы в соответствии со стандартами безопасности, соответствующими сосуд под давлением, такие как ISO 11439.^[8]

Резервуар для жидкого азота (Измир, Турция)

Резервуар для хранения может быть выполнен из:

• сталь
• алюминий
• углеродное волокно
• Кевлар
• другие материалы или комбинации вышеперечисленного.

Волокнистые материалы значительно легче металлов, но обычно 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.

Транспортные средства на жидком азоте

Транспортное средство, приводимое в движение жидким азотом, Жидкий воздух, был продемонстрирован в 1902 году.

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 меньшие дизельные двигатели для охлаждения двигателя при выключенном основном двигателе.^[9]

Выход выбросов

Подобно другим технологиям хранения энергии, не связанным 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 уменьшено. Меры по контролю за выбросами 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 сопоставимы с электрические транспортные средства, но используйте жидкий азот для хранения энергии вместо батарей. Их потенциальные преимущества перед другими автомобилями включают:

• Подобно электромобилям, автомобили с жидким азотом в конечном итоге будут получать питание от электрической сети, что упрощает 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.
• Может работать как часть комбинированный цикл трансмиссию в сочетании с бензиновым или дизельным двигателем, используя отходящее тепло от одного, чтобы запустить другой в турбосоединение система. Он даже может работать как гибридная система.

Недостатки

Главный недостаток — неэффективное использование первичной энергии. Энергия используется для разжижения азота, который, в свою очередь, обеспечивает работу двигателя. Любое преобразование энергии имеет потери. Для автомобилей 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. В настоящее время практические холодильные установки, производящие несколько тонн жидкого азота в день, работают примерно на 50% Эффективность Карно.^[10] В настоящее время излишки жидкого азота производятся как побочный продукт при производстве жидкий кислород.^[4]

Плотность энергии жидкого азота

Любой процесс, основанный на фазовом переходе вещества, будет иметь гораздо более низкую плотности энергии чем процессы, включающие химические реакции в веществе, которые, в свою очередь, имеют более низкую плотность 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 — это первичный источник энергии, а не просто средство хранения и транспортировки энергии.

Плотность энергии, полученная из изобарной теплоты испарения азота и удельной теплоты в газообразном состоянии, которая теоретически может быть реализована 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-ионный аккумулятор и 3000 Вт · ч / кг для бензина двигатель внутреннего сгорания работает с тепловым КПД 28%, что в 14 раз превышает плотность жидкого азота, используемого при КПД Карно.^[11]

Для того чтобы двигатель изотермического расширения имел диапазон, сопоставимый с двигателем внутреннего сгорания, требуется изолированное бортовое хранилище объемом 350 литров (92 галлона США). ^[11] Практичный объем, но заметное увеличение по сравнению с типичным 50-литровым (13 галлонами США) бензиновым баком. 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 транспортных средств 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 замораживания потребуются дополнительные теплообменники, вес, сложность, потеря эффективности и расходы.^[11]

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 некоторый 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 может 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.^[12]

Поскольку жидкость в газ степень расширения этого вещества составляет 1: 694, огромное количество силы может быть создано, если жидкий азот быстро испаряется. Во время инцидента в 2006 г. Техасский университет A&M, устройства сброса давления бака с жидким азотом закрывались латунными пробками. В результате танк катастрофически вышел из строя и взорвался. Брент С. Маттокс. «Отчет о расследовании химического взрыва цилиндра 301A» (PDF). Техасский университет A&M. Архивировано из оригинал (перепечатка) 31 октября 2008 г.

внешние ссылки

• Видео автомобиля, работающего на жидком воздухе, встроенный в Новости BBC репортаж (машина появляется в 0м 52с).
• LN2 Автомобиль 1, автомобиль, работающий на жидком азоте с использованием криогенного теплового двигателя в Университете Северного Техаса.
• Обсуждение возможности использования транспортного средства LN2 в Как все работает
• Термодинамические свойства различных видов топлива (табличные данные).

«Азотная» технология: ремонт без ошибок / Ремонт двигателей

На какие только ухищрения ни приходится идти, чтобы спасти, казалось бы, безнадежно поврежденную моторную деталь — и растачивать, и полировать, и фрезеровать. А еще — выпрессовывать и запрессовывать различные втулки и гильзы. Последнее, а именно то, какая технология запрессовки используется, нередко определяет успех всего дела. Напротив, ошибки на этой стадии ремонта, как правило, чреваты серьезными последствиями.

Это случилось несколько лет назад. Привезли на СТО «Мерседес» с неисправным двигателем. Мотор, естественно, сняли, разобрали и ужаснулись — в блоке цилиндров трещина, прямо по одному из цилиндров. Менять блок на новый? Никакого смысла — слишком дорого. «Бэушный» тоже не выход — подобные блоки все сплошь «без документов». Остается одно — ремонтировать.

Силами СТО такой ремонт не сделать — нет оборудования. Поэтому блок отвезли в специализированную мастерскую, где поврежденный цилиндр «загильзовали». То есть расточили и поставили ремонтную гильзу — нормальный и общепринятый способ ремонта. И ходить бы мотору и дальше «долго и счастливо», если бы через месяц после ремонта гильза не потекла: антифриз из-под головки блока начал просачиваться через гильзу в картер.

Двигатель пришлось разобрать и переделывать заново. Механики виновато оправдывались перед недовольным клиентом: они-то все сделали правильно, просто блок плохо отремонтировали. В мастерской блок «перегильзовали», естественно, бесплатно, но потери денег, времени и нервов у мотористов СТО от такого «ремонта» оказались весьма значительными.

В чем же была ошибка, если и гильза изготовлена аккуратно, и блок расточен точно, и натяг гильзы в блоке выдержан? Попробуем это выяснить, но вначале разберемся…

Зачем нужен натяг?

Итак, есть гильза, которую необходимо установить в отверстие корпуса. Очевидно, после установки гильза должна надежно держаться в отверстии, т.е. не болтаться, иначе в процессе работы гильза и поверхность отверстия будут быстро повреждены ударными нагрузками. Но главное — это герметичность и хороший тепловой контакт между гильзой и поверхностью отверстия. Последнее определяет тепловой режим работы самой гильзы и ответной детали, расположенной внутри гильзы (к примеру, поршня). Нарушение теплового контакта или, как еще говорят, большое термическое сопротивление на поверхности стыка гильзы и корпуса может привести к перегреву самой гильзы и, особенно, ответной ей внутренней детали с последующим ее повреждением (задиры, прогар, разрушение). Исключить эти нежелательные последствия удается, если гильзу поставить в отверстие корпуса с натягом.

Натяг — это, как известно, разница между наружным диаметром гильзы и диаметром отверстия. То есть гильза больше, чем отверстие. При этом важны два обстоятельства — величина натяга и способ установки гильзы в отверстие меньшего размера, чтобы удовлетворить требованиям герметичности и низкого термического сопротивления.

Как выбрать натяг?

Величина натяга — это не просто разница в диаметрах. Ее значение сильно различается в зависимости от диаметра, длины, толщины, условий работы и материалов деталей. Вот только несколько примеров.

Длинная (около 150 мм) гильза из чугуна устанавливается в чугунный блок цилиндров. Условия работы довольно «мягкие» — трение колец и поршня о стенки. Оптимальная величина натяга 0,04-0,06 мм. Меньший натяг ухудшит теплопередачу от поршня в охлаждающую жидкость, больший — приведет к чрезмерной деформации соседних цилиндров. В то же время при установке такой же гильзы в алюминиевый блок надо учитывать разницу в коэффициентах температурного расширения материалов: величину натяга следует увеличить до 0,06-0,07 мм, чтобы гильза не ослабла при нагреве блока. Напротив, мягкую алюминиевую гильзу в такой блок можно поставить с натягом всего 0,02-0,03 мм без какой-либо опасности ослабления посадки.

Седло клапана имеет малую длину, но сильно нагревается и испытывает высокие ударные нагрузки при работе клапана. Из-за таких «жестких» условий работы натяг седла в отверстии головки блока должен быть не ниже 0,10-0,12 мм, хотя диаметр седла весьма невелик — в среднем 40-45 мм. В то же время для направляющих втулок клапанов и сталебронзовых втулок верхней головки шатуна (ВГШ) вполне достаточно натяга 0,03-0,05 мм. В первом случае надежная посадка при малом натяге обеспечена сравнительно большой длиной направляющей втулки, а во втором — однородностью материалов (сталь) шатуна и основы втулки.

Теперь, когда натяг выбран, обеспечен соответствующей мехобработкой деталей и подтвержден измерениями, попробуем запрессовать гильзу или втулку в отверстие корпуса. Сделать это можно разными способами.

Как запрессовывают гильзы?

Простейший, но наихудший, способ запрессовки — забить деталь в корпус кувалдой. Результат очевиден — придется гильзу выбивать обратно или вырезать и начинать все сначала. Почему?

Чтобы запрессовать тонкую гильзу с натягом в 0,05 мм, потребуется усилие в несколько сотен, а то и тысяч килограмм, что при ударном характере этого усилия скорее всего приведет к ее растрескиванию. Кроме того, при большом давлении на поверхность возможно появление задиров, резко увеличивающих усилие запрессовки и вызывающих потерю герметичности соединения.

Последнее особенно характерно для разнородных материалов — к примеру, твердой чугунной детали и мягкого алюминиевого корпуса. К тому же алюминиевый сплав имеет свойство не только легко «сдираться» гильзой, как резцом, но и уплотняться (нагартовываться), в результате чего от исходной величины натяга останется едва ли больше 0,02-0,03 мм. Ну а алюминиевую деталь в алюминиевый корпус вообще «не загнать» — детали намертво «схватятся» друг с другом, и будет разрушена не только гильза, но скорее всего, и корпус тоже.

От ударной запрессовки почти не отличается способ установки гильзы с помощью пресса (винтового или гидравлического). Разница лишь в том, что отсутствуют ударные нагрузки. Все остальные недостатки запрессовки «из-под кувалды» сохранятся.

Несмотря на очевидную вредность подобных способов запрессовки, они достаточно живучи — в некоторых мастерских все еще можно увидеть и кувалду, и пресс в действии. А потому не стоит удивляться, когда после такой «работы» текут гильзы цилиндров или выпадают седла клапанов.

Что же делать? Очевидно, необходимо резко снизить усилия при запрессовке. Речь, конечно, не идет об уменьшении натяга — он должен быть задан жестко. А вот увеличить зазор при запрессовке детали в корпус вполне возможно.

Создать такие условия при монтаже поможет известная способность материалов расширяться при нагреве и соответственно сжиматься при охлаждении. Охватывающую деталь (корпус) можно нагреть, а охватываемую (гильзу) охладить так, что натяг превратиться в зазор. Тогда поставить гильзу можно будет даже «от руки», без каких-либо усилий.

Действительно, простейший расчет показывает, что если чугунный блок цилиндров нагреть до 150°С, то диаметр гнезда под гильзу (100 мм) увеличится на 0,13 мм. Тогда при монтаже получаем зазор около 0,07 мм даже без охлаждения гильзы. В алюминиевом блоке зазор будет еще выше — около 0,2 мм, за счет большего коэффициента температурного расширения алюминиевого сплава. Теперь достаточно лишь точно и быстро (чтобы не произошло выравнивания температуры деталей!) установить гильзу в блок «от руки», не прикладывая при этом никаких дополнительных усилий.

Именно такая схема применяется сейчас в большинстве мастерских и техцентров, ремонтирующих и восстанавливающих моторные детали. Тем не менее данный способ, хотя и дает минимальный процент брака, не всегда удачен, и вот почему.

Для нагрева корпусной детали приходится применять большие электропечи. Без сомнения, это большие затраты электроэнергии, да и печь — оборудование не из дешевых. Ее необходимо устанавливать в отдельном помещении с хорошей вентиляцией, что тоже недешево, иначе работать там будет так же трудно, как сталевару у мартена. Кроме того, деталь нагревается в печи целиком до температуры намного выше рабочей, что может вызвать ее деформацию и потребовать последующую дополнительную обработку некоторых поверхностей (плоскости, постели подшипников).

Но это, так сказать, вопросы финансово-организационного характера, которые можно решить один раз и больше к ним не возвращаться. А вот некоторые технические проблемы при таком способе запрессовки не решить.

Допустим, на цилиндре в средней его части имеется трещина. После расточки гнезда и установки гильзы трещина перекроется гильзой. Только будет ли отремонтированный блок герметичен? Совсем не обязательно — натяг невелик, поверхности сопряжения не идеальны.

Конечно, можно нанести на поверхность перед сборкой герметик, который заполнил бы микронеровности, особенно, вокруг трещины, и не дал бы затем охлаждающей жидкости найти себе путь из рубашки охлаждения в камеру сгорания или картер. Только вот беда: на нагретом блоке герметик немедленно полимеризуется. Если же наносить герметик на гильзу, то при ее установке он легко задерживается ступенькой в верхней части гнезда, не обеспечивая необходимого уплотнения трещины. В результате резко возрастает опасность потери герметичности.

Получается, выхода нет? Почему же, есть, причем намного проще, чем кажется на первый взгляд.

Не в жар, а в холод!

А зачем, собственно говоря, нагревать именно блок? Давайте охладим гильзу. Тогда и печь не понадобиться, и помещения отдельного не нужно, и электроэнергию можно сэкономить.

А чем охлаждать? Тоже не проблема: есть такой газ, которого в атмосфере больше всего, азот. При охлаждении азота до температуры -186^oС он превращается в жидкость, абсолютно прозрачную и бесцветную. Только хранить жидкий азот надо в большом термосе — сосуде Дюара, иначе он быстро испарится.

Многие производства и медицинские учреждения используют жидкий азот в своих технологических процессах, поэтому приобрести его не cложно. Кроме того, это экологически чистый газ, не требующий каких-либо специальных мер или средств защиты, за исключением, пожалуй, перчаток, чтобы не «обжечь» холодом руки.

Именно на использовании жидкого азота и построены все технологии запрессовки деталей в Cпециализированном моторном центре. Суть процесса предельно проста. В пластиковое «корыто» нужного размера помещаем гильзы (седла, втулки) и заливаем их на 2/3 азотом. После того, как кипение азота прекратится (это значит, что детали «приняли» температуру жидкости), вытаскиваем их из жидкости и легко устанавливаем в гнездо блока. Причем гораздо легче, чем после нагрева блока (получить такой же зазор можно только при нагреве блока до 220°С, опасном температурными деформациями).

Также легко решается проблема герметичности гильзы: на гнездо в блоке снизу и сверху перед установкой гильзы наносится специальный жидкий герметик. Теперь герметичность гарантирована — зазор при установке большой, гильза не потащит герметик за собой, а полимеризация наступит не раньше принятия гильзой температуры блока. Это подтверждено испытаниями блоков на герметичность — случаи течи гильз при использовании данной технологии в настоящее время не известны.

Немалые преимущества «азотная» технология дает и при ремонте головок блока цилиндров. Чтобы убедиться в этом, достаточно посчитать, насколько надо нагреть алюминиевую головку, чтобы чугунное седло диаметром 40 мм, имеющее натяг в гнезде 0,12 мм, «провалилось» в гнездо свободно. Ответ обескураживает: до 240^oС! Если же седло охлаждается в жидком азоте, то головку блока достаточно нагреть всего до 100^oС. Для такого нагрева специальной мощной электропечи уже не потребуется.

С помощью азота можно легко выполнить и другие работы — запрессовать направляющие втулки клапанов или втулки ВГШ. Отметим при этом, что жидкий азот относительно дешев — намного дешевле, чем электричество для разогрева деталей в электропечи.

Криоавтомобиль: будем ездить на азоте?

24.11.2014 /
25.04.2018

  •  

2506 /
183

Как известно, автотранспорт с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) является главным загрязнителем атмосферы крупных городов. В Украине «вклад» автотранспорта в общее загрязнение воздуха составляет: для Киева – до 78%, для Одессы – до 62%, для Харькова – до 68%. В густонаселенных районах США, Японии, стран Европы эта проблема стоит настолько остро, что назрела необходимость внедрения автотранспорта с малыми или нулевыми выбросами вредных веществ. К примеру, в США в штате Калифорния принята программа (LEV), предусматривающая, начиная с 2003 года, производство 10% экологически чистых автомобилей (с нулевой эмиссией) от общего их числа на каждом автомобильном заводе штата (примерно 110 тыс. автомобилей в год).

В последнее время наблюдаются и другие существенные проблемы, связанные с эксплуатацией традиционного транспорта с двигателями внутреннего сгорания, – глобальное потепление климата на планете, угрожающее таянием льдов на полюсах и затоплением обширных территорий, растущая стоимость добычи и транспортировки нефти и природного газа, ограниченные их запасы (по научным прогнозам, этих запасов осталось менее чем на 70 лет), экономическая зависимость некоторых государств от стран-экспортеров топлива.

Существуют ли реальные возможности организовать производство альтернативных видов автотранспорта, лишенных перечисленных недостатков?

Поиск путей создания экологически чистого транспорта, использующего альтернативные источники энергии, привел в последние три года к разработке в США первых образцов криогенных (низкотемпературных) автомобилей и стимулировал их исследования в Украине.

Энергию для движения они получают за счет так называемой «конверсии холода», запасенного в криогенных аккумуляторах. Такой аккумулятор представляет собой бак-криостат с жидким (при температуре около – 200 0С) негорючим азотом. Сжиженный азот получают на специальных воздухоразделительных установках из окружающей атмосферы. При этом на получение 1 кг жидкого азота в среднем требуется затратить около 1 кВт/ч электроэнергии. Производство его широко освоено в индустриально развитых странах (в частности, в Украине его могут производить более чем на 10 металлургических и химических предприятиях). Поэтому жидкий азот является легкодоступным и относительно дешевым источником энергии по сравнению, например, с жидким водородом.

Особенностью криогенных газов является их способность кипеть при температуре окружающей среды, т.е. создавать пар, в том числе высокого давления. Пар подогревается в теплообменном устройстве и подается в пневматический двигатель. В этой части такой автомобиль похож на паровой, известный с начала века, с той разницей, что для производства пара не требуется топлива. Энергия для парообразования берется из окружающей среды.

В жидком состоянии азот может храниться при нормальном атмосферном давлении, не требует применения тяжелых баллонов высокого давления и занимает достаточно малый объем. Учеными и инженерами Физико-технического института низких температур (ФТИНТ) НАН Украины в г. Харькове накоплен большой опыт по созданию и эксплуатации резервуаров с жидким азотом при малом его испарении.

К настоящему времени в двух университетах США – университете штата Северный Техас и Вашингтонском университете созданы экспериментальные образцы криоавтомобилей, способные вмещать 124 л жидкого азота.

Полная масса снаряженного автомобиля составляет 700 кг. В силовой установке используется пневмодвигатель мощностью 13 кВт, работающий на давлении порядка 10 атм. Автомобиль содержит два параллельных теплообменника для нагревания азота до температуры окружающей среды (0 0С). Испытания показали, что максимальная скорость такого криоавтомобиля составляет 58 км/ч при дальности пробега на одной заправке до 24 км. Отметим, что экспериментальный образец строился впервые для демонстрации принципиальной возможности создания криоавтомобиля на жидком азоте, разработан с применением пневмодвигателя низкого давления и имеет далеко не оптимальную конструкцию. Однако даже при таких условиях характеристики автомобиля оказались вполне приемлемыми для городского цикла езды.

Отметим, что сейчас в университете штата Северный Техас (США) разрабатывается пожаробезопасный азотный криоавтомобиль для работ на территории космодрома им. Кеннеди во Флориде. А в ближайшее время планируется создать криоавтомобиль (UNT Goals), позволяющий развивать скорость до 100 км/ч при дальности пробега до 240 км на одной заправке жидкого азота.

Основное преимущество криоавтомобиля – его абсолютная экологическая чистота, поскольку он использует в качестве рабочего тела безвредный и химически нейтральный газ азот, являющийся основным компонентом нашей атмосферы (составляет 78% по массе и его запасы практически неограничены). Азот извлекается из атмосферы для ожижения и возвращается в атмосферу после завершения рабочего цикла в двигательной установке криоавтомобиля. При этом температура азота не превосходит температуры окружающей среды на любом из участков рабочего цикла, что исключает образование вредных окислов азота.

Расчеты показывают, что при изотермическом рабочем цикле может быть получена механическая работа до 0,4 МДж на каждый килограмм жидкого азота (или около 100 Вт/ч на килограмм). Эта величина в несколько раз больше, чем у современных электрохимических аккумуляторов, применяемых в электромобилях, хотя и существенно уступает (приблизительно в 20 раз) энергоемкости ДВС. Однако если учесть относительно низкую стоимость 1 кг жидкого азота по сравнению со стоимостью 1 кг бензина (к примеру, в США жидкий азот в 10 раз дешевле) и вред, наносимый человеку и природе сжиганием углеводородного топлива, то использование криогенных источников энергии с пневмодвигателем уже сейчас является экономически оправданным.

Необходимо также учесть, что криоавтомобиль является пожаробезопасным видом транспорта, а это может обусловить, кроме обычных, ряд его специфических применений – в шахтах, на пожароопасных предприятиях, в нефтегазовой и оборонной промышленности. Кроме того, такой автомобиль мог бы служить прекрасным, а главное безопасным тренажером для обучения вождению в школах, техникумах и вузах.

Учитывая, что для производства жидкого азота необходима электроэнергия, а она может производиться на АЭС или ГЭС, использование такого типа аккумуляторов энергии для автомобилей делает их независимыми от ситуации на рынке нефтепродуктов.

Следует отметить еще одно преимущество бортового криоаккумулятора – жидкого азота. Его наличие в автомобиле позволяет перейти к практическому применению высокотемпературных сверхпроводниковых устройств – электромоторов, электрогенераторов, магнитных подшипников, а также индукционных накопителей энергии (SMES). Это может резко повысить КПД двигательной установки и автомобиля в целом.

В частности, по имеющимся сообщениям, некоторые немецкие фирмы уже сегодня разрабатывают магнитные сверхпроводниковые подшипники (трение в них полностью отсутствует) для современных автомобилей. Они состоят из пары высокотемпературный сверхпроводник – постоянный магнит и поддерживаются при криогенных температурах. Отличительной особенностью этих подшипников является возможность осуществления пространственной пассивной магнитной подвески без использования активных корректирующих элементов. Первые образцы таких подшипников уже созданы.

Кроме пневмодвигателя с криоаккумулятором, возможны и прорабатываются еще два типа энергоустановок для экологически чистого автомобиля – скоростной маховик на магнитных сверхпроводниковых подшипниках и индукционный сверхпроводниковый накопитель с электромоторными приводами на колеса автомобиля. Оба типа установок существенным образом используют открытое в конце 80-х годов явление высокотемпературной сверхпроводимости, существующей при температурах жидкого азота.

В перспективе эффективность новых криоавтомобилей предполагается повысить путем объединения двух типов двигателей – пневмодвигателя и инерционного маховика, используемого в качестве рекуператора механической энергии.

Более низкая удельная энергоемкость криогенного пневмодвигателя по сравнению с двигателем внутреннего сгорания приводит к необходимости иметь на автомобиле большую массу рабочего тела (например, 200-400 кг) и более часто производить дозаправку в ходе эксплуатации. При этом скорость заправки может быть сопоставимой с таковой для бензина. Конечно, обслуживание криоавтомобилей потребует создания сети азотозаправочных станций, которые, однако, даже в густонаселенных городах не будут наносить экологического ущерба.

Как показывает проведенный анализ, развитие экологически чистого автомобилестроения на базе криогенных технологий является перспективным и экономически оправданным направлением. Успешное применение криоавтомобилей позволит решить ряд серьезных экологических, энергетических и транспортных проблем Украины и других индустриально развитых государств.

В настоящее время предполагается разрабатывать криоавтомобили для использования в густонаселенных районах городов в качестве маршрутных такси, небольших грузовых автомобилей, машин-холодильников, а также специальных машин для обслуживания шахт и взрывоопасных производств.

В Украине разработкой первого образца криоавтомобиля занимается коллектив ученых и инженеров Харьковского государственного автомобильно-дорожного технического университета (ХГАДТУ), ФТИНТ и ИПМаш НАН Украины. Работы ведутся в тесном сотрудничестве с учеными США. Сделаны первые шаги в создании нового типа экологически чистого транспорта. В октябре 2000 года в ХГАДТУ состоится международная научная конференция «Автомобильный транспорт и дорожное хозяйство на рубеже третьего тысячелетия», где несколько пленарных докладов посвящено данному направлению в автомобилестроении.

Азот: что это такое и где он используется?

Поиск по вики-сайту о сжатом воздухе

• Компрессоры

• Подготовка воздуха

• Промышленные газы

• Основная информация

• Рекомендации

Nitrogen

Industrial Gases

Basic Theory

Compressed Air Wiki

Compressed Air

Знаете ли вы, что большая часть воздуха, которым мы дышим, состоит из азота? Кислород необходим для выживания, однако воздух на 78% состоит из азота, и всего лишь на 21% – из кислорода и незначительного количества других газов. Несмотря на то, что человеческий организм не использует этот азот, он очень полезен в различных направлениях промышленности. Проще говоря, существует неограниченный источник азота, доступный для использования, который позволяет вам производить собственный азот, а не приобретать его у различных поставщиков. Все, что вам нужно – это компрессор и генератор азота, который отделяет молекулы азота от молекул кислорода в сжатом воздухе. В результате вы получаете неограниченную, экономичную и безопасную подачу газа, доступную в любое время суток.  

Что такое азот?

Во-первых, это инертный газ. Он не имеет запаха, цвета и не поддерживает жизнь, однако он важен для роста растений и является ключевой добавкой в удобрениях. Его применение распространяется далеко за пределы садоводства. Азот обычно имеет жидкую или газообразную форму (однако также можно получить твердый азот). Жидкий азот используется в качестве хладагента, который способен быстро замораживать продукты и объекты медицинских исследований, а также возможно его применение для репродуктивных технологий. Для пояснения мы остановимся на газообразном азоте.

Азот широко используется, главным образом, по причине того, что он не вступает в реакцию с другими газами, в отличие от кислорода, который является крайне реактивным. Из-за своего химического состава атомы азота требуют больше энергии для разрушения и взаимодействия с другими веществами. С другой стороны, молекулы кислорода легче разрываются, поэтому газ становится гораздо более реактивным. Газообразный азот обладает противоположными свойствами, обеспечивая, при необходимости, инертную среду.

Генераторы азота обеспечивают преимущества практически для всех отраслей промышленности

Отсутствие реактивной способности у азота является его самым важным качеством. В результате газ используется для предотвращения медленного и быстрого окисления. Электронная промышленность представляет собой прекрасный пример такого использования, поскольку при производстве печатных плат и других небольших компонентов может возникать медленное окисление в виде коррозии. Кроме того, медленное окисление характерно для производства продуктов питания и напитков, в этом случае азот используется для замещения или замены воздуха, чтобы лучше сохранить конечный продукт. Взрывы и пожары являются хорошим примером быстрого окисления, поскольку для их распространения требуется кислород. Удаление кислорода из резервуара с помощью азота уменьшает вероятность возникновения этих аварий.

Собственное производство азота

Если в системе необходимо использовать азот, то рекомендуется рассмотреть три основных способа получения газа. Первым является аренда резервуара с азотом на месте и подача газа, вторым – использование газообразного азота, поставляемого в баллонах под высоким давлением. Третьим способом является производство собственного азота с использованием сжатого воздуха. Покупка или аренда азота может оказаться очень неудобной, неэффективной и дорогостоящей, поскольку приходится иметь дело со сторонним поставщиком. По этим причинам многие компании отказались от аренды и приняли решение производить свой собственный азот с возможностью контроля количества, чистоты и давления для требуемого применения. Дополнительные преимущества включают стабильную стоимость, отсутствие транспортных расходов или задержек, устранение опасностей, связанных с криогенным хранением, и исключение отходов, вызванных потерями от испарения или возврата баллонов под высоким давлением, которые никогда не опустошаются полностью. Существует два типа генераторов азота: мембранные генераторы азота, а также генераторы азота, использующие технологию PSA (метод короткоцикловой адсорбции), которые обеспечивают очень высокую степень чистоты – 99,999% или 10 PPM (частей на миллион) и даже выше. Узнайте больше о последнем варианте здесь.

Какие варианты практического применения газообразного азота существуют?

Поскольку азот является инертным газом, он подходит для широкого спектра применений во многих отраслях промышленности. Следует отметить, что для разных областей применения могут потребоваться разные уровни чистоты. Несмотря на то, что для некоторых областей применения может потребоваться исключительно чистый азот, например, в пищевой промышленности или фармацевтическом секторе, этот газ может иметь меньшую степень чистоты в других областях, таких как предотвращение пожаров. 

Взгляните на некоторые типичные промышленные применения газообразного азота ниже.

Нефтегазовая отрасль

Нефтегазовая отрасль

Электроника

Электроника

Упаковка продуктов питания и напитков

Упаковка продуктов питания и напитков

Лаборатории

Лаборатории

Предотвращение пожара

Предотвращение пожара

Фармацевтика

Фармацевтика

Судостроение и судоходство

Судостроение и судоходство

Основные сферы применения

Основные сферы применения

Другие статьи по этой теме

Read more

What is Compressed Air?

Compressed air is all around us, but what is it exactly? Let us introduce you to the world of compressed air and the basic workings of a compressor.

Read more

Compressed Air Applications: Where is compressed air used?

Compressed air is all around us, but where is it used exactly? Discover the different ways compressed air is used and how it impacts our everyday lives.

Read more

Гибридное будущее: Михаил Гордин о тенденциях развития авиационных двигателей (интервью)

1 Сентября 2021

В рамках Международного авиакосмического салона МАКС-2021 Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт имени Н. Е. Жуковского») показал несколько перспективных разработок, посвященных гибридным (ГСУ) и электрическим силовым установкам. Самой впечатляющей стала летающая лаборатория Як-40 с ГСУ на основе электродвигателя на высокотемпературных сверхпроводниках, которая во второй день работы авиасалона совершила демонстрационный полёт. На стенде института был представлен макет сверхмощной ГСУ, а на статической стоянке – полностью электрический двухместный самолёт «Сигма-4Э».

О тенденциях развития авиационных двигателей, о высокотемпературных сверхпроводниках и их преимуществах в интервью «Авиации России» рассказал генеральный директор ЦИАМ Михаил Гордин.

– Михаил Валерьевич, расскажите, пожалуйста, когда ЦИАМ начал заниматься тематикой ГСУ, какой научно-технический задел был использован или пришлось всё полностью разрабатывать с нуля?

– Заниматься этой тематикой ЦИАМ начал с конца 2008 года. Первоначально нами было разработано четыре БПЛА на водородных топливных элементах. Сначала – зарубежных, а семь лет назад, в июле 2014 года, мы впервые подняли в небо беспилотник на топливных элементах отечественного производства. Они были разработаны Институтом проблем химической физики РАН по техническому заданию ЦИАМ. В те же годы проводились первые расчётные исследования по перспективным проектам. В частности, была выполнена большая работа по оценке эффективности применения различных типов гибридных и электрических силовых установок для гражданских вертолётов.

В 2017 году стартовала первая целенаправленная работа по формированию научно-технического задела в области ГСУ, и ЦИАМ был выбран её головным исполнителем. В том же году в институте создали тематический отдел, специалисты которого сосредоточились на оценке эффективности технологий ГСУ для различных типов летательных аппаратов, разработке математических моделей отдельных элементов и совершенствовании экспериментальной базы для их исследований, разработке и создании первых экспериментальных образцов.

До начала работ нами был проведён комплексный анализ мирового опыта, проблемных мест и критических технологий. Такой анализ мы делаем регулярно, чтобы быть в курсе мировых тенденций. И параллельно мы провели тщательный отбор соисполнителей для последующих работ.

– Для многих выражение «высокотемпературные сверхпроводники» звучит впечатляюще и одновременно загадочно, непонятно, что это за технология и почему высокотемпературные. Не могли бы вы рассказать, почему сверхпроводимость легла в основу гибридной силовой установки? Почему нельзя было применить обыкновенный мощный электродвигатель?

– Сверхпроводник – это материал, в котором при охлаждении до криогенных температур практически полностью исчезает электрическое сопротивление. Низкотемпературные сверхпроводники работают при температурах жидкого гелия, т.е. меньше 4К (-269°С). Высокотемпературные сверхпроводники работают при больших температурах, вплоть до температуры кипения жидкого азота в нормальных условиях (77К или -196°С). Именно отсутствие электрического сопротивления позволяет сделать электрическую машину очень компактной и лёгкой, добиться КПД порядка 99%.

Мы сейчас работаем с жидким азотом, но при температуре кипения жидкого водорода (20К или -253°С) максимальный удельный ток сверхпроводника вырастет в разы и составит 5000 А/мм² и более. Столь высокий показатель удельного тока позволяет кратно увеличить мощность электродвигателя и генератора при сохранении прежних габаритов и массы. Так, генератор при охлаждении жидким азотом выдаёт мощность 800 кВт, а при переходе на жидкий водород будет выдавать 2,5 МВт. Аналогично, мощность электрического двигателя вырастет с 500 кВт до 1,5 МВт – практически втрое.

И водород, в отличие от азота, можно будет использовать не только для охлаждения электродвигателя и генератора, но и в качестве топлива. Это позволит увеличить экономичность двигателя и сократить объём выбросов СО2 до нулевых показателей.

– Михаил Валерьевич, при всех плюсах гибридной силовой установки, нельзя не заметить и явные минусы – необходимость тяжёлых аккумуляторов, жидкий азот (или водород) для охлаждения электродвигателя. С аккумуляторами всё понятно: существующие сегодня технологии пока не позволяют изготовить ёмкие, компактные и лёгкие аккумуляторы, но жидкий азот – это агрессивная среда. Как обеспечивается безопасность экипажа, обслуживающего персонала и самолёта в целом от возможных протечек этого газа?

– В схеме ГСУ, представленной на Як-40ЛЛ, мы вынесли бак с азотом за пределы герметичного корпуса самолёта, чтобы сделать его обслуживание максимально безопасным. Что касается водорода, он имеет критически низкую молярную массу, из-за чего в случае утечки очень быстро улетучивается и не образует опасной концентрации. Если отойти немного в сторону от авиации, то на всех мощных электростанциях водород используется для охлаждения электрических генераторов – речь идёт уже о сотнях мегаватт. Главное – это соблюдение правил технической безопасности, оно актуально для любого типа топлива – авиакеросина, бензина, природного газа.

– Как работает ГСУ в полёте? Каков цикл работы турбовального двигателя – он включен постоянно или только периодически, чтобы подзарядить блок аккумуляторных батарей, которые уже запитывают электродвигатель?

– Гибридные силовые установки могут быть построены по параллельной и последовательной схемам. При параллельной схеме на валу теплового двигателя расположена обратимая электромашина, которая работает либо как мотор, создавая дополнительную мощность на валу при взлёте и наборе высоты, либо как генератор, отбирая мощность для зарядки аккумуляторов. При последовательной схеме питание одного или нескольких электромоторов осуществляется одновременно от блока аккумуляторных батарей и от электрического генератора, вращаемого тепловым двигателем. Оба источника выдают энергию в режимах взлёта и набора высоты, когда требуется большая мощность. На крейсерском режиме тепловой двигатель даёт энергию на электродвигатель и может дополнительно заряжать аккумуляторы. В случае отказа теплового двигателя заряда аккумуляторных батарей хватит для совершения экстренной посадки воздушного судна.

– Где в мире, кроме России, идут разработки подобных ГСУ? Насколько они продвинулись вперед?

– Программы, посвящённые гибридизации, есть в активе у всех ведущих разработчиков и производителей авиационной техники. Среди них – Airbus, Boeing, NASA, Rolls-Royce, Safran и другие. Стоит также отметить большое количество стартапов и особый интерес со стороны автопроизводителей.

Россия достигла однозначного первенства именно в применении сверхпроводимости. Его удалось добиться за счёт тесной кооперации между ведущими научными институтами и высокотехнологичными предприятиями-разработчиками. Координатором выступает НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского». Каждый из институтов, входящих в НИЦ, вносит свой вклад в создание перспективного электрического самолёта в рамках своих основных компетенций: ЦИАМ – головной исполнитель проекта по разработке демонстратора ГСУ, ЦАГИ отвечает за облики летательного аппарата, ГосНИИАС – за бортовые системы, СибНИА – за испытания демонстраторов в составе летающих лабораторий.

Компания «СуперОкс» разработала обмотку из сверхпроводников для электродвигателя. Коллеги из УГАТУ совместно с ЦИАМ создали компактный и мощный генератор на 400 кВт.

Финансирование проектов осуществлялось Фондом перспективных исследований и Минпромторгом России.

– ЦИАМ участвует в разработке полностью сверхпроводящей ГСУ мощностью 2500 кВт, где в качестве топлива и хладоагента будет применён жидкий водород. На каком этапе работ вы сейчас находитесь? Когда планируется создать работающий демонстратор этой силовой установки?

– В проекте создания сверхмощной ГСУ на основе модернизированного турбовального двигателя ВК-2500 нами уже выполнен ряд наработок, а начало работ запланировано на 2022 год. Пойдём по уже отработанной схеме: создание наземного демонстратора, который пройдёт через комплекс испытаний на стендах, затем установка на летающую лабораторию для прохождения наземных экспериментов и последующая подготовка к выполнению первых полётов. С учётом сложности инженерных задач весь проект рассчитан на период до пяти лет.

– В электрическом контуре этой ГСУ будут применены топливные элементы. Какова их роль и почему в них нет необходимости в демонстраторе на Як-40ЛЛ?

– В схеме ГСУ с жидким водородом будут применены два источника энергии – топливные элементы и электрический генератор, вращаемый турбовальным газотурбинным двигателем. Топливный элемент имеет высокий КПД практически во всем диапазоне режимов работы, но его удельная масса в разы больше, чем у газотурбинного двигателя. По этой причине он не годится в качестве основного источника энергии и будет использоваться только в тех режимах, когда требуется дополнительная мощность.

В демонстраторе технологий на жидком азоте топливного элемента нет, так как у проекта иные задачи, которые не предполагали его создания и применения.

– В качестве двигателя в этой ГСУ будет применен турбовальный ВК-2500. Насколько трудоёмкая работа с точки зрения конструктора при перепроектировании двигателя с керосина на жидкий водород, какие узлы требуют пересмотра? Будет ли в этой ОКР использоваться задел, полученный ещё в СССР в ходе работ по двигателю НК-88 для Ту-155?

– Безусловно, нами будет использован научно-технический задел по советским проектам использования жидкого водорода в качестве авиатоплива. ЦИАМ принимал в них самое непосредственное участие. Замечу, что этот проект был первым и пока остаётся единственным в своем роде. В 1988 году при научно-технической поддержке ЦИАМ был создан двигатель НК-88, работающий на жидком водороде, совершён комплекс полётов летающей лаборатории Ту-155 с этим двигателем. Этот опыт пока никто в мире не смог повторить.

Что касается конструкторских работ, изменения будут внесены в систему автоматического управления двигателя, топливную систему и камеру сгорания. Работа предстоит сложная, но понимание, как её выполнить, есть.

– Сейчас на Як-40ЛЛ установлен электромотор мощностью 500 кВт, мощность ГСУ на жидком водороде будет 2500 кВт. Ведутся ли у нас в России хотя бы предварительные проработки самолётов, которые в будущем могли бы получить подобные гибридные силовые установки? Будут ли у этих ЛА какие-либо принципиальные отличия от существующих сегодня винтомоторных самолётов?

– Освоение технологий ГСУ открывает возможности для создания новых обликов летательных аппаратов. Речь может идти как о классических схемах самолётов, так и о принципиально новой архитектуре летательных аппаратов – мультироторного типа, конвертопланах с вертикальным или ультракоротким взлётом и посадкой и др. Это ещё одна из причин, почему разработка таких силовых установок стала тенденцией развития авиации не только в России, но и во всем мире.

В настоящее время ЦИАМ в кооперации с организациями, входящими в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского», реализует научно-исследовательскую работу по формированию обликов и оценке эффективности региональных и ближнемагистральных самолётов с ГСУ, в том числе и на водороде.

– Расскажите, пожалуйста, о программе лётных испытаний экспериментального Як-40 с демонстратором ГСУ. Где они будут проходить и сколько продлятся, что Вы от них ожидаете? Какие цели и задачи стоят перед ЦИАМ?

– Основной комплекс лётных испытаний проводится в Новосибирске в СибНИА им. С.А. Чаплыгина. Этим летом часть взлётно-посадочной полосы была на ремонте, поэтому мы приняли решение совершить перелёт в ЛИИ им. Громова для продолжения части испытаний и участия в МАКС. Сейчас Як-40ЛЛ уже вернулся в Новосибирск и готовится к очередным лётным испытаниям. Они будут включать отработку режимов работы силовой установки на различных высотах и скоростях полёта. Этот этап продлится до начала следующего года.

– А как велась подготовка к первому полёту, какие доработки были выполнены после наземных испытаний в Новосибирске зимой этого года? Когда и как был доставлен Як-40ЛЛ в Жуковский?

– Одной из самых заметных «предполётных» доработок стала замена винта самолёта. Ранее использовался временный 6-лопастной винт с фиксированным шагом. Его установка была предусмотрена только программой наземных испытаний, так как полёты на таком винте невозможны. В настоящий момент на летающую лабораторию установлен 3-лопастной винт изменяемого шага с возможностью флюгирования. Новый винт ГСУ можно было увидеть в действии во время демонстрационного полета на МАКС-2021.

Летающая лаборатория Як-40ЛЛ совершила самостоятельный перелёт из Новосибирска в Жуковский и обратно на двух своих турбореактивных двигателях.

– Что последует в дальнейшем по окончании лётных испытаний? Когда вы планируете перейти от демонстратора гибридной СУ к готовому законченному изделию?

– В настоящий момент разработка находится на стадии научно-исследовательской работы, коммерческий интерес непосредственно со стороны эксплуатантов появится позже. Производство ГСУ с последующей установкой на самолёты – это будущая задача для отечественных конструкторских бюро.

– Можно ли говорить, что с появлением серийных «электросамолётов» с ГСУ винтовую авиацию ожидает ренессанс? Когда, по вашим оценкам, это может произойти?

– Да, это так. На первом этапе мы рассчитываем на то, что технологии ГСУ будут использоваться в малой авиации, самолётах местных воздушных линий, а затем настанет очередь региональных воздушных судов. В более далёкой перспективе возможности использования ГСУ смогут быть реализованы для магистральных самолётов. Будут ли использоваться в этом случае винты, вентиляторы или реактивная тяга – вопрос пока открытый и является темой наших совместных исследований с ЦАГИ.

– Михаил Валерьевич, спасибо за интересное и обстоятельное интервью!

Андрей Величко

для сайта «Авиации России»

Источник

Крутая тачка, часть третья

Крутая тачка, часть третья

Почему
Автомобили с жидким азотом лучше, чем электромобили

Пока же электромобили, работающие от свинцово-кислотных аккумуляторов, являются единственными
относительно доступные и легкодоступные автомобили с нулевым уровнем выбросов на
рынок. Несмотря на то, что они считаются самыми экологически чистыми.
альтернатива дыму, бензиновые автомобили, электромобили предлагают
хронически плохая работа и создают проблемы с загрязнением и безопасностью их
собственные, утверждают исследователи UW.

General Motors’ EV1
электромобиль продается в Южной Калифорнии и некоторых частях
Аризона.

Свинцово-кислотные аккумуляторы, которые используются в General Motors EV1.
электромобиль, имеют ограниченный пробег в 70 миль и работают анемично, если вообще работают,
в холодную погоду. Фактически, GM предлагает EV1 только в солнечном климате, таком как
Аризона и южная Калифорния.

Использование свинцово-кислотных аккумуляторов в электромобилях также грозит
загрязнение металлом. Аккумуляторы для одного электромобиля требуют около 1000 фунтов стерлингов.
свинца, поэтому распространение электромобилей, использующих свинцово-кислотные аккумуляторы,
значительно увеличить спрос на ядовитый тяжелый металл, говорит Витт, один из
аспиранты в команде LN2000. Чем выше спрос на свинец, добавляет он,
тем больше угроза загрязнения при добыче, выплавке, транспортировке, использовании
и утилизировать его.

Более новые никель-металлогидридные и литий-ионные аккумуляторы обеспечивают большую дальность действия и
производительность, но они непомерно дороги и потенциально опасны. В качестве
количество накопленной энергии в этих батареях увеличивается, объясняет Герцберг,
они становятся более нестабильными и могут взорваться в случае аварии.

«Очевидно, что при разработке любого нового продукта у вас возникают новые экологические проблемы».
возражает Богданов, «но это старые аргументы, которые на самом деле не делаются
больше. Электромобили, независимо от того, какой аккумулятор вы используете, лучше
чем автомобили с бензиновым двигателем» 9.0003

Герцберг не так уверен.

«Безопасные батареи — это экологический беспорядок, и они никуда не денутся», — говорит он.
«Те, которые могут куда-то пойти, невероятно дороги и довольно опасны.
Вам придется очень постараться, чтобы навредить себе транспортным средством с жидким азотом.
Жидкий азот не горюч, не вызывает коррозии и не токсичен. Просто холодно.»

По иронии судьбы, говорит Герцберг, именно холод остановил
предыдущие попытки разработать транспортное средство с жидким азотом. Исследователи знали
десятилетиями это давление создавалось при превращении жидкого азота в газ.
мог привести машину в движение. Но группа UW первой разработала теплообменник
система, которая не замерзает при контакте с жидким азотом.

Внутри LN2000,
жидкий азот поступает из бака-накопителя в теплообменник. Как это
расширяется, повышается давление воздуха. Газ приводит в действие поршни, соединенные с коленчатым валом.
в воздушном двигателе, который приводит в движение автомобиль. Иллюстрация Шона Огла.

Теплообменник LN2000 всасывает жидкий азот из изолированного топливного бака.
через серию алюминиевых змеевиков и специально разработанных труб. Двигатель
отработанный и наружный воздух циркулируют вокруг змеевиков и труб, чтобы постепенно
подогреть азот от жидкости с температурой минус 320 F до газа с температурой окружающей среды.

«Теплообменник подобен радиатору автомобиля, но действует наоборот.
способом, — объясняет Брукнер. — Вместо того, чтобы использовать воздух для охлаждения воды, он использует воздух для
кипячение жидкого азота в газообразный азот.»

Превращение жидкости в газ увеличивает объем азота в 700 раз.
создание достаточного давления, чтобы вращать пневматический двигатель, во многом похожее на давление от
сжигание бензина приводит в действие двигатель внутреннего сгорания.

Имея 360 000 долларов США в Департаменте
Энергетический грант, исследователи и студенты UW построили прототип LN2000
из переделанного почтового грузовика Grumman Kubvan. Помимо наклеек Husky,
Автомобиль внешне очень похож на любой другой почтовый грузовик. Но открой
назад, и можно найти изолированные резервуары, трубопроводы, шланги и манометры, более подходящие для
исследовательская лаборатория, чем автомобиль. Под капотом 15-сильный атмосферник.
двигатель, первоначально предназначенный для привода лебедки для подъема якоря корабля. А также
вместо создания шлейфов грязного выхлопа LN2000 выбрасывает холодный азот.
газ, который замораживает водяной пар в воздухе, образуя небольшие облака позади
средство передвижения.

В то время как зависимость двигателей внутреннего сгорания от невозобновляемых видов топлива
побудило автомобильных инженеров сделать автомобильные двигатели более эффективными на протяжении многих лет,
воздушные двигатели имели роскошь оставаться невероятно неэффективными. Как результат,
двигатель, использованный в прототипе LN2000, придает потреблению бензина новое значение.
потребляя около пяти галлонов азотного топлива на милю. Плюс он собирает топ
скорость всего 22 мили в час. и с пыхтением трудолюбиво взбирается на холмы.

«Этот двигатель работает менее чем на 20 процентов от КПД, который, как мы думаем,
возможно, что снижает мощность, производительность и экономию топлива», — объясняет Джон
Уильямс, бывший аспирант, работавший над проектом LN2000 для своей
дипломная работа. «Мы знаем, что можем добиться большего».

Следующие шаги в исследованиях автомобилей с жидким азотом
LN2000 Главная
Страница

Отправьте письмо в редакцию по адресу [email protected].

Автомобиль UW с жидким азотом может остановить электромобили на морозе

Эйб Херцберг хочет отказаться от электромобилей. Вышедший на пенсию профессор аэронавтики и астронавтики Университета Вашингтона закатывает глаза от ажиотажа вокруг этих предполагаемых транспортных средств будущего, потому что, по его словам, у них столько же проблем с безопасностью и защитой окружающей среды, как и у автомобилей с бензиновым двигателем, но с меньшими характеристиками.

Надеясь остановить распространение электромобилей, Герцберг и его коллеги решили создать лучшую альтернативу бабушкиному пожирающему бензин Гремлину. Вдохновленные мультфильмом Лил Абнер, изображающим автомобиль, работающий на смоге, исследователи UW изобрели автомобиль на жидком азоте, который не производит вредных выбросов. В качестве бонуса производство жидкого азота удаляет загрязняющие вещества из воздуха.

«Если вы собираетесь говорить о действительно экологически чистом автомобиле, вам нужно сделать что-то отличное от бензинового или электрического», — объясняет Герцберг. «Мы считаем, что транспортное средство с жидким азотом может соответствовать производительности и запасу хода электромобиля, оставаясь при этом доступным и простым в обслуживании и эксплуатации. И с экологической точки зрения это сбывшаяся мечта».

Транспортное средство UW, получившее название LN2000, работает подобно паровому двигателю, за исключением того, что оно приводится в движение за счет испарения очень холодного жидкого азота вместо пара из кипящей воды. Пары азота приводят в движение воздушный двигатель, приводящий в движение автомобиль, а затем выходят из выхлопной трубы. По словам Герцберга, поскольку атмосфера уже на 78 процентов состоит из азота, воздействие на окружающую среду транспортных средств LN2000 — даже миллионов таких автомобилей — будет практически незаметным.

Что действительно волнует этого ветерана-исследователя, так это возможность производства жидкого азота действительно уменьшить загрязнение воздуха. Чтобы производить жидкий азот, объясняет Герцберг, завод просто пропускает воздух через большую систему охлаждения и собирает жидкий азот по мере его конденсации. При этом загрязняющие вещества, такие как двуокись углерода и двуокись серы, также удаляются из воздуха и могут быть утилизированы безопасным образом. Одним из вариантов является закачка загрязняющих веществ в истощенные нефтяные и газовые скважины или в глубокие океанские глубины, где они вряд ли вернутся в атмосферу и вызовут экологический хаос.

Снаружи LN2000, работающий на жидком азоте, представляет собой кузов старого почтового грузовика Grumman Kubvan.

Ископаемое топливо, скорее всего, будет сжигаться для питания холодильной установки. Но выхлопы этих заводов будут улавливаться для использования в качестве сырья для жидкого азота, поэтому загрязняющие вещества не будут выбрасываться в атмосферу.

«Мы не пытаемся обещать экологически чистый обед», — предупреждает профессор Адам Брукнер, который работает с Герцбергом в команде LN2000 вместе с профессором Томом Мэттиком, научным сотрудником Карлом Ноуленом и аспирантами Питером Виттом и Хелен ДеПари. «Мы просто пытаемся указать на значительные потенциальные экологические преимущества автомобильных двигателей с жидким азотом. По сравнению с другими предположительно экологически чистыми автомобильными силовыми установками, такими как электромобили, мы считаем, что наш подход выглядит довольно хорошо».

Компания Hertzberg реализовала проект LN2000 отчасти для того, чтобы замедлить популярность электромобилей, поддерживаемую законами Калифорнии и других стран, которые требуют, чтобы 10 процентов всех автомобилей, проданных к 2003 году, были автомобилями с нулевым уровнем выбросов. Законы призваны уменьшить загрязнение воздуха, которое винят в глобальном потеплении, а также в некоторых проблемах со здоровьем. По данным Округа управления качеством воздуха Южного побережья в Лос-Анджелесе, респираторные заболевания и другие заболевания, связанные со смогом, приводят к преждевременной смерти 1600 человек в год только в Южной Калифорнии.

В соответствии с новыми законами ожидается, что к 2003 году ежегодные продажи автомобилей с нулевым уровнем выбросов превысят 200 000 в Калифорнии и 500 000 по всей стране. Чтобы удовлетворить этот спрос, правительство и Совет автомобильных исследований США, консорциум трех американских автопроизводителей , создали Партнерство для нового поколения транспортных средств, чтобы стимулировать исследования и разработки альтернативных автомобильных технологий.

Партнерство, основанное в 1993 году, поставило перед собой долгосрочную цель разработать автомобили, которые обеспечат в три раза более высокую топливную экономичность и будут стоить не больше, чем современные семейные седаны среднего размера, такие как Chrysler Concorde, Ford Taurus или Chevrolet. Люмина. Это новое поколение транспортных средств также должно поддерживать стандарты производительности, размера и полезности современных автомобилей и соответствовать всем обязательным требованиям безопасности и выбросов, говорится в руководящих принципах партнерства.

«Мы рассматриваем множество различных технологий и множество различных альтернативных видов топлива, но, насколько мне известно, никто здесь не рассматривал жидкий азот», — говорит Крис Терри, представитель автомобильного консорциума. «Звучит очень интересно».

После изучения альтернатив, начиная от маховиков и заканчивая топливными элементами, исследователи консорциума возвращаются к более традиционным технологиям, таким как дизельные двигатели нового поколения и гибридные электромобили. По словам Терри, это необходимо для достижения цели партнерства по выпуску концепт-каров к 2000 г. и прототипов к 2004 г.

Майк Богданофф, специалист по развитию технологий в округе управления качеством воздуха Южного побережья, считает, что в долгосрочной перспективе топливные элементы являются наиболее многообещающими из всех технологий транспортных средств с нулевым уровнем выбросов, чтобы соответствовать производительности и диапазону современных бензиновых двигателей. .

Топливные элементы вырабатывают электричество непосредственно в результате химической реакции между водородом и кислородом, запускаемой платиновым катализатором. Химическая реакция происходит при температуре окружающей среды практически без выбросов. Основным побочным продуктом является вода. Топливные элементы также в два раза эффективнее бензиновых двигателей при использовании водорода в качестве топлива. К сожалению, не существует инфраструктуры для распределения водорода для заправки. И хотя разрыв сокращается, топливные элементы остаются в семь-десять раз дороже, чем обычные силовые агрегаты.

«До автомобиля на топливных элементах осталось, наверное, 10 лет, — говорит Богданофф. «Технологии есть. Теперь самое сложное — снизить стоимость».

В то же время электромобили, работающие от свинцово-кислотных аккумуляторов, являются единственными относительно доступными и доступными автомобилями с нулевым уровнем выбросов на рынке. Несмотря на свою репутацию наиболее экологически чистой альтернативы автомобилям с бензиновым двигателем, изрыгающим смог, электрические автомобили имеют хронически плохую производительность и создают собственные проблемы с загрязнением и безопасностью, утверждают исследователи Университета Вашингтона.

Свинцово-кислотные аккумуляторы, которые используются в электромобиле General Motors EV1, имеют ограниченный запас хода в 70 миль и работают анемично, если вообще работают в холодную погоду. Фактически, GM предлагает EV1 только в солнечном климате, таком как Аризона и южная Калифорния.

Использование свинцово-кислотных аккумуляторов в электромобилях также грозит увеличением загрязнения тяжелыми металлами. Батареи для одного электромобиля требуют около 1000 фунтов свинца, поэтому распространение электромобилей, использующих свинцово-кислотные батареи, значительно увеличит спрос на ядовитый тяжелый металл, говорит Витт, один из аспирантов команды LN2000. Он добавляет, что чем больше спрос на свинец, тем больше угроза загрязнения при его добыче, выплавке, транспортировке, использовании и утилизации.

LN2000 заправляется жидким азотом из бака за пределами инженерного здания UW. Ученые говорят, что обычная заправочная станция может быть легко преобразована для доставки жидкого азота.

Более новые никель-металлогидридные и литий-ионные аккумуляторы обеспечивают большую дальность действия и производительность, но они чрезмерно дороги и потенциально опасны. Герцберг объясняет, что по мере увеличения запаса энергии в этих батареях они становятся более нестабильными и могут взорваться в случае аварии.

«Очевидно, что при разработке любого нового продукта возникают новые экологические проблемы, — возражает Богданофф, — но это старые аргументы, которые на самом деле больше не используются. Электромобили, независимо от того, какой аккумулятор вы используете, лучше, чем автомобили с бензиновым двигателем».

Герцберг не так уверен.

«Безопасные батареи — это экологический беспорядок, и они никуда не денутся», — говорит он. «Те, которые могут куда-то пойти, невероятно дороги и довольно опасны. Вам придется очень много работать, чтобы навредить себе транспортным средством с жидким азотом. Жидкий азот не горюч, не вызывает коррозии и не токсичен. Просто холодно».

По иронии судьбы, по словам Герцберга, низкая температура — это именно то, что затормозило предыдущие попытки разработать транспортное средство на жидком азоте. Исследователи уже несколько десятилетий знают, что давление, возникающее при преобразовании жидкого азота в газ, может привести в движение автомобиль. Но группа UW первой разработала систему теплообменника, которая не замерзает под воздействием жидкого азота.

Теплообменник LN2000 всасывает жидкий азот из изолированного топливного бака через ряд змеевиков из алюминиевых труб и специально разработанных труб. Выхлоп двигателя и наружный воздух циркулируют вокруг змеевиков и труб, чтобы постепенно нагревать азот от жидкости с температурой минус 320 F до газа с температурой окружающей среды.

«Теплообменник похож на радиатор автомобиля, но действует противоположным образом», — объясняет Брукнер. «Вместо того, чтобы использовать воздух для охлаждения воды, он использует воздух для кипячения жидкого азота в газообразный азот».

Преобразование жидкости в газ увеличивает объем азота в 700 раз, создавая давление, достаточное для вращения пневматического двигателя, подобно тому, как давление горящего бензина приводит в движение двигатель внутреннего сгорания.

Благодаря гранту Министерства энергетики США в размере 360 000 долларов США исследователи и студенты Вашингтонского университета построили прототип LN2000 из переделанного почтового грузовика Grumman Kubvan. Если не считать наклеек Husky, снаружи автомобиль очень похож на любой другой почтовый грузовик. Но откройте заднюю часть, и вы обнаружите изолированные баки, трубопроводы, шланги и датчики, более подходящие для исследовательской лаборатории, чем для автомобиля. Под капотом находится пневматический двигатель мощностью 15 лошадиных сил, изначально разработанный для лебедки для подъема судовых якорей. И вместо того, чтобы создавать шлейфы грязных выхлопных газов, LN2000 выделяет холодный газообразный азот, который замораживает водяной пар в воздухе, образуя небольшие облака позади автомобиля.

В то время как зависимость двигателей внутреннего сгорания от невозобновляемых видов топлива побудила автомобильных инженеров на протяжении многих лет делать автомобильные двигатели более эффективными, воздушные двигатели имели роскошь оставаться сказочно неэффективными. В результате двигатель, использованный в прототипе LN2000, придает потреблению бензина новое значение, потребляя около пяти галлонов азотного топлива на милю. Кроме того, он развивает максимальную скорость всего 22 мили в час. и с пыхтением трудолюбиво взбирается на холмы.

«Этот двигатель работает менее чем на 20 процентов от возможного, как мы думаем, КПД, что снижает мощность, производительность и экономию топлива», — объясняет Джон Уильямс, бывший аспирант, который работал над проектом LN2000 для своей магистерской диссертации. «Мы знаем, что можем лучше».

Компания Hertzberg ищет дополнительный грант для разработки более эффективного двигателя, способного развивать максимальную скорость до 60 миль в час. и от двух до трех миль на галлон в оптимально спроектированном автомобиле. Это позволило бы LN2000, используя бак на 100 галлонов, соответствовать среднему диапазону для автомобилей с газовым двигателем в 250 миль между заправками. Каким бы большим ни казался 100-галлонный бак, Уильямс говорит, что он все равно будет весить меньше и занимать меньше места, чем батареи, используемые в электромобилях.

Транспортное средство с жидким азотом также может быть более экономичным в эксплуатации, чем электромобили, считают исследователи Университета Вашингтона. Предполагая, что цена жидкого азота массового производства составляет 10 центов за галлон, они предсказывают, что LN2000 будет стоить около 4 центов за милю по сравнению с предполагаемой стоимостью вождения электромобилей в 7 центов за милю (включая стоимость замена батареи каждые два-три года).

Еще одно преимущество, которое Герцберг видит в автомобилях с жидким азотом, заключается в том, что они не требуют новой инфраструктуры для массового использования. Современные заправочные станции можно легко переоборудовать для заправки жидким азотом вместо бензина. И пользователи смогут заправиться за считанные минуты, а не за 4-6 часов, необходимых для полной перезарядки аккумулятора электромобиля.

«Более того, любой механик с гаечным ключом и паяльником сможет починить одну из этих машин», — говорит Герцберг. «Мы намеренно не использовали никаких экзотических или дорогих технологий, чтобы их было легко обслуживать и ремонтировать».

Несмотря на потенциальные преимущества автомобилей с жидким азотом, исследователи Университета Вашингтона понимают, что будет сложно привлечь интерес автомобильной промышленности и общественности, влюбленной в автомобили, потребляющие бензин, и с осторожностью воспринимающей электрические нарушители даже после многих лет ажиотажа. Но Герцберга это не остановило.

«Это стало для меня чем-то вроде Святого Грааля, потому что это правильно», — говорит он. «Это автомобиль, который будет работать с окружающей средой, а не против нее. Я не ожидал никаких проблем с доказательством того, что транспортное средство с жидким азотом может работать. Я ожидаю проблем с продажей идеи».

Но что за небольшой маркетинг для парня, который уже воплотил причудливый мультфильм в реальность?

Эйб Херцберг

Среди инженеров Вашингтонского университета и всей страны Эйб Херцберг известен как «Человек идей».

Самолеты с лазерным двигателем, удобрения из воздуха и, совсем недавно, транспортное средство на жидком азоте — вот некоторые из концепций, которые, как он доказал, будут работать, даже если они не подожгли корпоративную Америку — пока.

Его изобретение химической ударной трубки в начале 19 векаС другой стороны, 50-е годы повлияли на многообещающую космическую программу НАСА и до сих пор широко используются в исследовательских лабораториях.

«Эйб всегда придумывает что-то новое, жизнеспособное оно или нет», — говорит Адам Брукнер, коллега-профессор кафедры аэронавтики и астронавтики Университета Вашингтона и один из многих исследователей, которые построили успешную карьеру, отчасти опираясь на идеи Герцберга. «Когда мой консультант в аспирантуре узнал, что я собираюсь приехать сюда, чтобы работать с Эйбом, он предупредил меня, что я буду погряз в идеях, многие из которых не оправдаются, но есть и настоящие жемчужины. Он был прав.»

Но иметь смелые идеи — это еще не все, что нужно, — говорит 75-летний Герцберг, который вышел на пенсию в 1993 году, но до сих пор почти каждый день приезжает в кампус, чтобы следить за своими текущими исследовательскими проектами.

«Новые идеи разрушают предубеждения, поэтому вас не всегда ценят», — говорит он. «Для моих врагов я грубый оппортунист. Для моих друзей я человек с отличными идеями. Я думаю, что могу видеть очевидное немного раньше некоторых людей, и я использовал это как единственный инструмент, который у меня действительно есть».

Когда полиомиелит и ожесточенная вражда с его советником помешали ему получить докторскую степень в Корнелле в конце 19В 40-е годы Герцберг сказал, что он был вынужден развивать и упорно преследовать свои собственные идеи, чтобы добиться успеха в академических кругах.

Проработав шестнадцать лет инженером и директором Корнеллской авиационной лаборатории и заняв место в инженерных кругах, Герцберг в 1966 году пришел в Университет Вашингтона, чтобы возглавить зарождавшуюся Программу аэрокосмических и энергетических исследований. Он стал организатором исследований, помогая обеспечить финансирование Лаборатории аэрокосмических исследований площадью 40 000 квадратных футов и десятки грантов, в том числе самый продолжительный грант НАСА, когда-либо присуждаемый университету.

На протяжении многих лет Герцберг также зарабатывал репутацию индивидуалиста — например, нарушая правила кампуса, куря сигары во время чтения лекций — и как суровый надзиратель, который не терпит дураков. Но коллеги говорят, что это небольшая цена за возможность задействовать его плодотворный ум.

«Я не всегда согласен с Эйбом, но я очень уважаю его», — говорит Карл Ноулен, научный сотрудник Программы аэрокосмических и энергетических исследований и бывший ученик Герцберга. «Он самый творческий человек, которого я знаю».

Грег Орвиг — технический обозреватель отдела новостей и информации UW.

Включите JavaScript для просмотра комментариев с помощью Disqus.

Испытания в Лидсе демонстрируют преимущества двигателей на жидком азоте

Автомобильный

Энергия и окружающая среда

Новости

1 мин чтения

13 сентября 2018 г.

Согласно недавно завершенному испытанию, проведенному при поддержке городского совета Лидса, широкое внедрение двигателей с жидким азотом для приведения в действие холодильных установок в грузовиках может снизить выбросы загрязняющих веществ в атмосферу по всему городу на 19 тонн в год.

Двигатель Dearman, установленный на транспортном средстве доставки в рамках испытаний в Лидсе.

Двигатели на жидком азоте, разработанные технологической компанией Dearman, предназначены для питания транспортных холодильных установок (TRU), используемых в грузовиках для охлаждения продуктов питания и других товаров во время движения. дорога.

В настоящее время TRU обычно оснащаются дизельными двигателями, на которые не распространяются те же стандарты выбросов, что и на основной двигатель транспортного средства. В результате эти вторичные двигатели могут выбрасывать в воздух в шесть раз больше загрязняющих веществ.

Инновационные двигатели TRU с жидким азотом компании Dearman, напротив, не загрязняют атмосферу и содержат на 80 % меньше парниковых газов, чем грязные дизельные двигатели.

Основанный на технологии, изобретенной британским инженером-самоучкой Питером Дирманом, двигатель Дирмана использует быстрое расширение жидкого азота для обеспечения мощности и охлаждения с нулевым уровнем выбросов.

Как сообщалось ранее, технология уже была опробована британской сетью супермаркетов Sainsbury’s, которая в 2016 году стала первой компанией в мире, представившей грузовик-рефрижератор с двигателем, работающим на жидком азоте.

Эксплуатация транспортного средства, оснащенного TRU с жидким азотом Dearman, в составе парка логистической компании из Йоркшира, реальные выбросы от грузовика, работающего с новой технологией, и от грузовика, работающего с TRU, использующим обычное ископаемое топливо сравнивались.

Испытание было проведено в рамках партнерства между городским советом Лидса, Cenex и Dearman и было поддержано грантом в размере 150 000 фунтов стерлингов от Департамента окружающей среды, продовольствия и сельского хозяйства (DEFRA).

Городской совет Дирмана и Лидса будет использовать данные испытаний в качестве доказательства в попытке решить проблему влияния TRU на качество местного воздуха. Результаты испытаний также будут распространены для поддержки других местных органов власти, стремящихся решить проблему выбросов.

Комментируя испытание, Джеймс Льюис, исполнительный член совета Лида по окружающей среде и устойчивому развитию, сказал: «Новые технологии будут играть ключевую роль, позволяя совету уменьшить загрязнение воздуха в кратчайшие сроки. Теперь мы будем работать с правительством, чтобы поощрять внедрение этой новой технологии, чтобы жители Лидса и всей страны могли пользоваться преимуществами более чистого воздуха».

Включите JavaScript для просмотра комментариев с помощью Disqus.

Автомобильный

Двигатель на жидком азоте дебютирует на грузовике Sainsbury

Политика и бизнес

Китайские двигатели

Автомобильный

Более чистые дизельные двигатели

Инженер

Новости

Двигатель с жидким азотом | Научный.

Нет

Журналы

Книги

Журналы

Инженерные исследования

Форум передовых инженеров

Прикладная механика и материалы

Инженерные инновации

Журнал биомиметики, биоматериалов и биомедицинской инженерии

Международный журнал инженерных исследований в Африке

Материаловедение

Расширенные исследования материалов

Форум по дефектам и диффузии

Применение диффузионных фундаментов и материалов

Журнал метастабильных и нанокристаллических материалов

Журнал нано исследований

Ключевые инженерные материалы

Форум материаловедения

Наногибриды и композиты

Твердотельные явления

Инженерная серия

Достижения в области науки и техники

Строительные технологии и архитектура

Материаловедение

Строительные материалы

Общее машиностроение

Машиностроение

Биологические науки и медицина

Производство

Электроника

Строительство

Гражданское строительство

Механика

Нанонаука

Компьютеры

Информационные технологии

Транспорт

Промышленная инженерия

Инженерия окружающей среды

Специальные книжные коллекции

Основы материаловедения и инженерии

Коллекция научных книг

Специализированные коллекции

Ретроспективная коллекция

Главная Двигатель с жидким азотом

Заголовок статьиСтраница

Моделирование течения в цилиндре двигателя с жидким азотом на базе STAR-CD

Аннотация: Двигатель на жидком азоте — это новый тип криогенного двигателя с нулевым разрядом. Чтобы лучше понять поле потока в цилиндре, мы моделируем поле скорости и поле турбулентной кинетической энергии цилиндра, а также взаимосвязь между давлением и углом поворота коленчатого вала при различном давлении на входе с помощью STAR-CD в этой статье. Результаты моделирования сравниваются с экспериментальными результатами.

31

Транспортные средства с жидким азотом — HiSoUR История культуры — Hi So You Are

Транспортное средство с жидким азотом питается от жидкого азота, который хранится в баке. Традиционные конструкции азотных двигателей работают за счет нагревания жидкого азота в теплообменнике, извлечения тепла из окружающего воздуха и использования полученного сжатого газа для работы поршневого или роторного двигателя. Транспортные средства, приводимые в движение жидким азотом, были продемонстрированы, но не используются в коммерческих целях. Один из таких автомобилей, Liquid Air, был продемонстрирован в 1902.

Двигательная установка на жидком азоте также может быть включена в гибридные системы, например, аккумуляторные электродвигатели и топливные баки для перезарядки батарей. Такая система называется гибридным жидким азотом и электрическим двигателем. Кроме того, вместе с этой системой можно использовать рекуперативное торможение.

В июне 2016 года в Лондоне, Великобритания, начнутся испытания парка транспортных средств для доставки еды супермаркета J Sainsbury: использование азотного двигателя Dearman для охлаждения продовольственного груза, когда транспортное средство неподвижно и главный двигатель выключен. В настоящее время грузовики для доставки в основном имеют 2 дизельных двигателя меньшего размера для охлаждения при выключенном основном двигателе.

Описание
Жидкий азот вырабатывается криогенными или реверсивными охладителями двигателя Стирлинга, которые сжижают основной компонент воздуха, азот (N2). Охладитель может питаться от электричества или за счет прямой механической работы от гидро- или ветряных турбин. Жидкий азот распределяется и хранится в изолированных контейнерах. Изоляция уменьшает приток тепла к хранящемуся азоту; это необходимо, потому что тепло окружающей среды кипит жидкость, которая затем переходит в газообразное состояние. Уменьшение поступающего тепла снижает потери жидкого азота при хранении. Требования хранения не позволяют использовать трубопроводы в качестве транспортных средств. Поскольку магистральные трубопроводы будут дорогостоящими из-за требований к изоляции, использование удаленных источников энергии для производства жидкого азота будет дорогостоящим. Запасы нефти, как правило, находятся на большом расстоянии от потребления, но могут переноситься при температуре окружающей среды.

Потребление жидкого азота, по сути, является производством в обратном направлении. Двигатель Стирлинга или криогенный тепловой двигатель предлагает способ приведения в действие транспортных средств и средства для производства электроэнергии. Жидкий азот также может служить прямым хладагентом для холодильников, электрооборудования и кондиционеров. По сути, потребление жидкого азота заключается в кипении и возвращении азота в атмосферу.

В двигателе Dearman азот нагревается за счет соединения его с теплообменной жидкостью внутри цилиндра двигателя.

Описание и применение

Использование в криогенной технике
В настоящее время жидкий азот используется в криогенной технике, например, для охлаждения сверхпроводящих магнитов в оборудовании для ядерного магнитного резонанса, в более сложных типах инфракрасных датчиков, в поездах на магнитной подвеске, в компьютерных микрочипах, использующих эффекте Джозефсона, а в будущем, возможно, и в сверхпроводящих магнитах токамаков-реакторов, предназначенных для ядерного синтеза. Также было предложено использовать жидкий азот для охлаждения сверхпроводящих керамических листов и, таким образом, построить линии электропередач протяженностью в тысячи километров, по которым, например, жидкий азот и электричество (без какого-либо сопротивления) могли бы подаваться на тысячи километров от ядерных реакторов в Арктике, вплоть до северных городов, таких как Чикаго или Нью-Йорк.

В медицине холод используется непосредственно для криоконсервации клеток, таких как сперматозоиды и яйцеклетки, для искусственного осеменения или экстракорпорального оплодотворения. С увеличением количества беременностей, распространением раковых заболеваний, которые часто требуют стерилизующей терапии, и некоторыми методами оплодотворения, применяемыми к женщинам в возрасте 60 лет, существует вероятность того, что многие люди могут сохранять свои гаметы (или эмбрионы) в течение десятилетий, прежде чем начать беременность. Некоторым людям в Аризоне после смерти (или прекращения их существования как больных неизлечимыми болезнями) замораживают голову или все тело с отдаленной надеждой в сверхтехнологическом будущем «оттаять» с помощью методы футуристические, обработанные соответствующим образом и впоследствии возрожденные и возвращенные к новой здоровой жизни. Вы не имеете ни малейшего представления, могут ли эти попытки увенчаться успехом.

В аэрокосмической области жидкий азот используется НАСА в качестве средства для концентрации и безопасного хранения холода в течение длительного времени, которое будет использоваться (после электролиза воды) для доведения кислорода и воды до температуры сжижения. водород, используемый в ракетных двигателях, таких как космический шаттл. Увеличение использования этих видов топлива и/или окисленного кислорода неизбежно приведет к увеличению потребления жидкого азота. Использование НАСА в этой роли жидкого азота уже приводило к жертвам удушья,2 а так как это совершенно не имеющий запаха газ, то техники, которые были следующими, внезапно надышались атмосферой с процентным содержанием кислорода и абсолютно низким (поскольку при тех температуры часть кислорода конденсируется в виде жидкости на земле), сравнимое по абсолютному давлению O 2 с давлением на вершине Эвереста.

В убойном производстве мясо может сохраняться даже в течение многих лет, это позволяет сохранять цены стабильными в течение многих лет (вычитая мясо с рынка в периоды низкого потребления и помещая его в пики) или создавать стратегические резервы для использоваться в ходе войн или катастроф.

Использование в технике экологии
Во времена Советского Союза было обнаружено, что при распылении жидкого азота в нижние слои атмосферы туман может осаждаться за счет конденсации или замерзания водяного пара или микроскопических капель водяного тумана. Это позволяло в безветренные дни держать открытыми военные аэродромы, создавая вокруг них зону, свободную от тумана.

В настоящее время тот же метод можно использовать для создания областей разреженного тумана вблизи аэропортов, развязок автомагистралей или важных памятников. Негативным эффектом может стать незначительное понижение температуры в непосредственной близости. В 1998 году на трассе Триест-Венеция россияне продемонстрировали эту процедуру.

Другие возможные применения жидкого азота связаны с вызыванием дождя (путем опрыскивания облаков жидким азотом) или отклонением ураганов (распылением его на морские районы), понижением температуры и, следовательно, давления, что может вызвать отклонение волнения в сторону области более низкого давления, например, далеко от материка.

Использование на транспорте
В настоящее время большинство дорожных транспортных средств приводится в движение двигателем внутреннего сгорания, работающим на ископаемом топливе. Если мы предположим, что автомобильный транспорт должен быть устойчивым в очень долгосрочной перспективе, существующие виды топлива должны быть заменены чем-то другим, произведенным за счет возобновляемых источников энергии. Заменитель не обязательно должен быть источником энергии «назойливым»; а скорее средство передачи и концентрации энергии, сравнимое с своего рода «энергетической валютой».

Жидкий азот при низкой температуре, переходя из трубки в трубку и расширяясь и поглощая внешнее тепло окружающей среды в вентилируемую сетку, чрезвычайно увеличивает свое давление и может привести в движение турбину, соединенную с электрическим генератором, который снабжает электричеством электрические моторы, толкающие колеса. Различные турбины, включенные последовательно, могут развивать ток от различных скачков температуры и давления, и, наконец, выбросы состоят из низкотемпературного азота, 70% воздушной составляющей, и поэтому степень загрязнения равна нулю (даже если это не удобно дышать прямо из этих холодных выхлопных труб, потому что есть риск потерять сознание и задохнуться).

В настоящее время с использованием аналогичных принципов построено несколько прототипов двигателей на сжатом воздухе, которые на практике забирают тепло из окружающей среды и преобразуют его в кинетическую энергию. Эти двигатели часто застревают из-за чрезмерного холода и конденсируются на сливах льда, даже если их баки (из кевлара) содержат сжатый воздух при температуре, равной или выше температуры окружающей среды. На самом деле воздух на 78% состоит из молекулярного азота.

Использование для перегонки морской воды путем конденсации
Отвести относительно теплую морскую воду (20-40°С), имеющуюся в бухтах и ​​лагунах тропических атоллов, дополнительно подогрев ее с помощью параболических зеркал или газовых горелок примерно до 60-80°С, а затем заставить ее «испариться» в контейнер низкого давления (около 70-80% атмосферного давления), его можно конденсировать в последующем контейнере при температуре около 5-10°С, охлаждать внутри коаксиального контейнера с нетоксичной рабочей жидкостью (типа этанола) и с низкой температурой плавления, который, в свою очередь, охлаждается при пропускании через бак жидкого азота. Соединение испарительного резервуара с резервуаром для конденсата с помощью большой трубы, оснащенной воздушными турбинами низкого давления, также вырабатывает электроэнергию.

В испарительном резервуаре концентрация соли значительно возрастет, поэтому контейнер необходимо периодически опорожнять. Полученная горячая остаточная вода с высокой концентрацией солей может быть помещена в открытые бассейны, откуда через некоторое время путем выпаривания будет получена обычная поваренная морская соль (NaCl). Рабочая жидкость (например, этанол), соприкасаясь с морской водой, доводится до температуры около 20-25°С, что может быть полезно для кондиционирования воздуха.

Производство азота (из воздуха)
Жидкий азот вырабатывается криогенными морозильными камерами и конденсаторами или сжатием, получаемым в охлаждаемом двигателе Стирлинга, доводя обычный воздух до давления и температуры, которые могут вызвать изменение фазы основного компонента воздуха, в жидком состоянии. азот (N 2, что составляет 78% воздуха, которым мы дышим). Эти системы охлаждения могут питаться от возобновляемой энергии, вырабатывающей электричество, или за счет прямого использования механической работы (с двигателем Стирлинга), полученной от ветряных или гидравлических турбин, лучше, если они расположены в холодном климате.

Жидкий азот производится и хранится в специальных изолированных емкостях: изоляция, сводящая к минимуму поток тепла внутрь емкости, снижает потери азота за счет испарения и повторного превращения в газ. Требования к хранению препятствуют распространению азота по трубам: было бы неэкономично поддерживать требуемую температуру во всем трубопроводе.

Использование двигателя Стирлинга в обратном направлении
Потребление жидкого азота было бы не чем иным, как обратным его производству: тот же самый двигатель Стирлинга, который заставлял жидкий азот повторно превращать его в газ, возвращая энергию, затраченную в процессе сжижения, и обеспечивая источник энергии для автомобилей и электрогенераторов. Также можно было бы напрямую использовать жидкий азот в качестве хладагента для холодильников и кондиционеров, а затем возвращать полученный газообразный азот в атмосферу, из которой он был извлечен.

Преимущества
Транспортные средства с жидким азотом во многом сравнимы с электромобилями, но вместо аккумуляторов в них используется жидкий азот для хранения энергии. Их потенциальные преимущества перед другими транспортными средствами включают в себя:

Как и электрические транспортные средства, транспортные средства с жидким азотом в конечном итоге будут питаться от электрической сети, что позволит легче сосредоточиться на снижении загрязнения из одного источника, в отличие от миллионов транспортных средств на дорогах. .
Транспортировка топлива не потребуется из-за отключения электроэнергии от электросети. Это обеспечивает значительную экономию средств. Загрязнение, возникающее при транспортировке топлива, будет устранено.
Снижение затрат на техническое 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 современными аккумуляторными системами.
Бак можно заправлять чаще и за меньшее время, чем аккумуляторы, при этом скорость заправки сравнима с жидким топливом.
Он может работать как часть трансмиссии с комбинированным циклом в сочетании с бензиновым или дизельным двигателем, используя отработанное тепло одного для запуска другого в турбокомпаундной системе. Он даже может работать как гибридная система.

Недостатки
Основным недостатком является 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 есть системы распределения, а жидкий азот является обильным побочным продуктом производства жидкого кислорода.

Другое применение
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, а расширяющийся газ смешивается 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. Не было продемонстрировано, что система может питать электрические генераторы мощностью более 1 кВт, однако возможна более высокая мощность.

Политические аргументы
Возможность адаптации нынешних тепловых двигателей к жидкому азоту и использование различных средств производства могли бы, вероятно, привести к диверсификации, локализации и стабильности энергетического рынка. [ без источника ]

Одна из возможностей диверсификации энергетики включает водородную экономику, фотогальванику и альтернативы биотопливу.

Зависимость от нефтяной экономики [ неработающая ссылка ] имеет огромное глобальное влияние. Нефтяные запасы, колодцы и нефтяные месторождения являются подлинными «активами» нынешней политической и денежной власти, которая управляет информацией и монополизирует ее. Более того, согласно теории пика нефти, к 2015 году потребление нефти превысит максимальную производственную мощность, что приведет к дальнейшему росту цен.

В настоящее время крупные экономические инвестиции и значительные политические и военные усилия направлены на обеспечение долгосрочной стабильности поставок угля, нефти и газа, и эта насущная необходимость определяет политику и военные действия многих стран, направленные на обеспечение энергоснабжения. они часто отказываются от борьбы за права человека.

С экологической точки зрения воздействие двуокиси углерода, образующейся при сжигании ископаемого топлива, является (вместе с вырубкой лесов) одной из основных причин парникового эффекта. Другой побочный ущерб, причиняемый ископаемым топливом, — это кислотные дожди, опустошение ландшафта, загрязнение водоносного горизонта и морей. Крайне важно найти альтернативы ископаемому топливу, которые позволят хранить и транспортировать энергию на большие расстояния.

Критика

Себестоимость производства
Производство жидкого азота является энергоемким процессом. В настоящее время практические холодильные установки, производящие несколько тонн жидкого азота в день, работают примерно с 50% эффективностью Карно. В настоящее время избыточный жидкий азот производится как побочный продукт при производстве жидкого кислорода.

Плотность энергии жидкого азота
Любой процесс, основанный на фазовом переходе 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 накопитель энергии имеет низкую плотность энергии. Для сравнения, жидкие углеводородные топлива имеют высокую плотность энергии. Высокая плотность энергии делает логистику транспортировки и хранения более удобной. Удобство является важным фактором в принятии потребителя. 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 ее хранения и транспортировки.

Плотность энергии, полученная из изобарной теплоты парообразования азота и удельной теплоемкости в газообразном состоянии, которая может быть получена из жидкого азота при атмосферном давлении и температуре окружающей среды, равной нулю градусов Цельсия, составляет около 97 ватт-часов на килограмм (Вт•ч/кг). ). Это сопоставимо со 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 30 раз превышает плотность жидкого азота, используемого при КПД Карно.

Для изотермического двигателя расширения, чтобы иметь запас хода, сравнимый с двигателем внутреннего сгорания, требуется 350-литровый (92 галлона США) изолированный бортовой резервуар для хранения. Практичный объем, но заметное увеличение по сравнению с обычным 50-литровым (13 галлонов США) бензобаком. Добавление более сложных циклов мощности уменьшит это требование и поможет обеспечить работу без замерзания. Однако коммерчески практических примеров использования жидкого азота для движения транспортных средств не существует.

Иней
В отличие от двигателей внутреннего сгорания, при использовании криогенного рабочего тела требуются теплообменники для нагрева и охлаждения рабочего тела. Во влажной среде образование инея будет препятствовать тепловому потоку и, таким образом, представляет собой инженерную проблему. Для предотвращения образования инея можно использовать несколько рабочих жидкостей. Это добавляет циклы доливки, чтобы гарантировать, что теплообменник не опустится ниже точки замерзания. Дополнительные теплообменники, вес, сложность, потеря эффективности и расходы потребуются для обеспечения работы без замерзания.

Безопасность
Какой бы эффективной ни была изоляция азотного топливного бака, неизбежно будут потери в результате 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 — бесцветный газ без запаха, который уже составляет 78 % воздуха, такое изменение было бы трудно обнаружить.

Криогенные жидкости опасны при разливе. Жидкий азот может вызвать обморожение и сделать некоторые материалы чрезвычайно хрупкими.

Поскольку жидкий N2 холоднее 90,2 К, кислород из атмосферы может конденсироваться. Жидкий кислород может спонтанно и бурно реагировать с органическими химическими веществами, включая нефтепродукты, такие как асфальт.

Поскольку коэффициент расширения жидкости и газа этого вещества составляет 1:694, при быстром испарении жидкого азота может быть создана огромная сила. Во время инцидента в 2006 году в Техасском университете A&M устройства сброса давления в резервуаре с жидким азотом были закрыты латунными заглушками. В результате танк катастрофически вышел из строя и взорвался.

Резервуары
Резервуары должны быть спроектированы в соответствии со стандартами безопасности, соответствующими сосудам под давлением, такими как ISO 11439.

Резервуар для хранения может быть изготовлен из:

Стали
Алюминия
Углеродного волокна
Кевлара
других материалов или их комбинаций. над.

Волокнистые материалы значительно легче металлов, но обычно дороже. Металлические баки выдерживают большое количество циклов давления, но их необходимо периодически проверять на наличие коррозии. Жидкий азот, LN2, обычно перевозят в изолированных емкостях объемом до 50 литров при атмосферном давлении. Эти резервуары, не находящиеся под давлением, не подлежат проверке. Очень большие резервуары для LN2 иногда находятся под давлением менее 25 фунтов на квадратный дюйм, чтобы облегчить перекачку жидкости в месте использования.

Выбросы
Как и другие технологии накопления энергии без сжигания, транспортное средство на жидком азоте перемещает источник выбросов из выхлопной трубы транспортного средства в центральную электростанцию. Там, где имеются источники 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 рассредоточенных транспортных средств.

Источник из Википедии

Снижение расхода дизельного топлива с помощью жидкого азота

| Мнение

Отличные ходовые качества

Автомобильные футурологи и сообразительные инженеры ожидают, что аккумуляторные электромобили в конечном итоге справятся со всеми нашими малотоннажными личными перевозками и большей частью наших потребностей в городских перевозках и перевозках на короткие расстояния. Но они также не согласны с Илоном Маском в том, что BEV могут перевозить тяжелые грузы на большие расстояния. Нужна более быстрая дозаправка, поэтому некоторые — например, технологический стартап Nikola One — предлагают большие установки на топливных элементах. Я остаюсь упрямо медвежьим в отношении этой идеи.

Однако в ближайшее время инженерная консалтинговая компания Ricardo проведет десятилетнюю работу, которая, возможно, близка к тому, чтобы принести плоды. Рикардо разрабатывает новую концепцию под названием CryoPower, которая обещает квантовое улучшение теплового КПД дизельного двигателя до 60 процентов — по сравнению с типичными 40-ю годами. (Да, дизель, эта технология, которую вы считали мертвой. Не так быстро.) В данном случае номенклатура относится к использованию в двигателе жидкого азота, хотя очевидно, что это не топливо. Скорее, он служит удивительным охладителем наддувочного воздуха, позволяющим изобретательно сочетать термодинамические циклы Дизеля, Миллера и Эрикссона.

Все знают Руди Дизеля как специалиста по воспламенению от сжатия. Цикл Ральфа Миллера укорачивает эффективный такт сжатия по сравнению с тактом расширения с нагнетателем, компенсирующим разницу в наддувочном воздухе (см. Mazda Millenia). Идея Джона Эрикссона состоит в том, чтобы передать тепло выхлопных газов всасываемому воздуху для повышения эффективности, что не было возможным для двигателей внутреннего сгорания, потому что, как правило, разница температур между выхлопными газами и всасываемым воздухом недостаточна после того, как они были сжаты в горячем, высокотемпературном воздухе. цилиндр сжатия. (Помните, мы хотим, чтобы воздух был как можно более прохладным и плотным до , мы сжимаем его, но любое тепло и давление, добавленные позже, повышают мощность.)

Рикардо заимствует страницу у двигателя с разделенным циклом Scuderi, используя отдельные цилиндры для впуска/сжатия и сгорания/выпуска, при этом впускные смещаются. меньше по объему, чем горючие. (Спасибо, Миллер!) Струя жидкого азота во время такта сжатия поддерживает температуру примерно такой же в верхней части такта, как и в нижней. Это уменьшает работу, требуемую от коленчатого вала, рекуперируя часть энергии, затраченной на сжижение азота.

На пути к цилиндрам сгорания этот холодный сжатый воздух захватывает тепло от выхлопных газов, в стиле Ericsson, также увеличивая давление. Затем он поступает в цилиндры сгорания, и топливо впрыскивается и воспламеняется практически мгновенно. Затем выхлоп проходит через теплообменник и турбонагнетатель, а сжатый всасываемый заряд проходит через промежуточный охладитель перед поступлением в цилиндры криокомпрессора. Очевидно, что через выхлоп уходит меньше тепла, а за счет поддержания гораздо более высокой температуры охлаждающей жидкости вокруг камер сгорания также уходит меньше отработанного тепла, что дает такой гигантский процент эффективности.

Температура и давление, создаваемые выхлопными газами, означают, что топлива должно поступать меньше, а поскольку впрыск/сгорание происходит после того, как поршень начинает двигаться вниз, пиковая температура и давление в цилиндре значительно ниже, чем в типичном турбодизеле, что снижает выбросы NOx. производство. Избыточный азот ведет себя как рециркуляция выхлопных газов, чтобы еще больше снизить выбросы NOx из двигателя, поэтому общие потребности в дополнительной обработке должны быть не больше, чем в современных дизелях.

О жидком азоте: в настоящее время его производят путем отделения его от кислорода в воздухе, но поскольку промышленный спрос на кислород выше, чем на азот, и поскольку воздух на 78 процентов состоит из азота, мы можем считать выделение азота «бесплатным». Исследование Рикардо в Великобритании показало, что цена его сжижения и распределения будет составлять 5 пенсов за литр (0,26 доллара за галлон), а уровень его использования, как ожидается, будет примерно того же порядка, что и дизельное топливо, поэтому грузовики будут перевозить на борту немного больше азота, чем дизельного топлива, и заправлять оба одновременно.

Первоначальный экспериментальный двигатель Рикардо представляет собой И-6 в значительной степени традиционной конструкции с двумя цилиндрами сжатия и четырьмя цилиндрами сгорания.