Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Рідкий водень



План:


Введення

Бак для рідкого водню в автомобільному музеї ( Альтлусхайм, Німеччина) німецької хімічної компанії "Linde AG"

"Рідкий водень" ("ЖВ") - рідке агрегатний стан водню, з низькою питомою щільністю 0.07 г / см і кріогенними властивостями з точкою замерзання 14.01 K (-259.14 C) і точкою кипіння 20.28 K (-252.87 C) [1]. Є безбарвною рідиною без запаху, яка при змішуванні з повітрям належить до вибухонебезпечних речовин з діапазоном коефіцієнта займання 4-75%. Спіновое співвідношення ізомерів в рідкому водні становить: 99,79% - параводород; 0,21% - ортоводорода [2]. Коефіцієнт розширення водню при зміні агрегатного стану на газоподібне складає 848:1 при 20 C.

Як і для будь-якого іншого газу, зріджування водню призводить до зменшення його обсягу. Після зрідження "ЖВ" зберігається в термічно ізольованих контейнерах під тиском. Рідкий водень ( англ. Liquid hydrogen , LH2, LH 2) активно використовується в промисловості, в якості форми зберігання газу, і в космічної галузі, як ракетного палива.


1. Історія

Перше документоване використання штучного охолодження в 1756 було здійснено англійським вченим Вільямом Калленом [3], Гаспар Монж першим отримав рідкий стан оксиду сірки в 1784, Майкл Фарадей першим отримав скраплений аміак, американський винахідник Олівер Еванс першим розробив холодильний компресор в 1805, Яків Перкінс перший запатентував охолоджуючу машину в 1834 і Джон Горі першим в США запатентував кондиціонер в 1851 [4] [5], Вернер Сіменс запропонував концепцію регенеративного охолодження в 1857, Карл Лінде запатентував обладнання для отримання рідкого повітря з використанням каскадного "ефекту розширення Джоуля - Томсона" і регенеративного охолодження [6] в 1876 ​​. В 1885 польський фізик і хімік Зигмунд Вроблевського опублікував критичну температуру водню 33 K, критичне тиск 13.3 атм. і точку кипіння при 23 K. Вперше водень був скраплений Джеймсом дьюарів в 1898 з використанням регенеративного охолодження і свого винаходу, cосуда Дьюара. Перший синтез стабільного ізомеру рідкого водню - параводорода - був здійснений Полом Хартек і Карлом Бонхеффер в 1929.


2. Спінові ізомери водню

Водень при кімнатній температурі складається на 75% з спінового ізомеру, ортоводорода. Після виробництва рідкий водень знаходиться в метастабільному стані і повинен бути перетворений в параводородную форму, для того щоб уникнути спонтанної екзотермічної реакції його перетворення, що приводить до сильного мимовільного випару отриманого рідкого водню. Перетворення в параводородную фазу зазвичай проводиться з використанням таких каталізаторів, як оксид заліза, оксид хрому, активоване вугілля, покритих платиною азбестом, рідкоземельних металів або шляхом використання уранових або нікелевих добавок [7].


3. Використання

Емблема № 704 Протипожежної асоціації США для стаціонарних установок, що використовують водень.

Рідкий водень може бути використаний як форми зберігання палива для двигунів внутрішнього згоряння і паливних елементів. Різні підводного човна (проекти "212А" і "214", Німеччина) і концепти водневого транспорту були створені з використанням цієї агрегатної форми водню (див. наприклад "DeepC" або "BMW H2R"). Завдяки близькості конструкцій, творці техніки на "ЖВ" можуть використовувати або тільки модифіковані системи, що використовують скраплений природний газ ("СПГ"). Однак через більш низькою об'ємної щільності енергії для горіння потрібно більший обсяг водню, ніж природного газу. Якщо рідкий водень використовується замість "СПГ" в поршневих двигунах, зазвичай потрібно більш громіздка паливна система. При прямому впорскуванні збільшилися втрати у впускному тракті зменшують наповнення циліндрів.

Рідкий водень використовується також для охолодження нейтронів в експериментах по нейтронному розсіянню. Маси нейтрона і ядра водню практично рівні, тому обмін енергією при пружному зіткненні найбільш ефективний.


3.1. Переваги

Перевагою використання водню є "нульова емісія" його застосування. Продуктом його взаємодії з повітрям є вода.

3.2. Перешкоди

Один літр "ЖВ" важить всього 0.07 кг. Тобто його питома щільність становить 70.99 г / л при 20 K. Рідкий водень вимагає кріогенної технології зберігання, такий як спеціальні термічно ізольовані контейнери і вимагає особливого поводження, що властиво для всіх кріогенних матеріалів. Він близький в цьому відношенні до рідкого кисню, але вимагає більшої обережності через пожежонебезпеки. Навіть у випадку з контейнерами з тепловою ізоляцією, його важко утримувати при тій низькій температурі, яка потрібна для його збереження в рідкому стані (зазвичай він випаровується зі швидкістю 1% на день [8]). При поводженні з ним також треба слідувати звичайним заходам безпеки при роботі з воднем [9] - він досить холодний для скраплення повітря, що вибухонебезпечне.


4. Ракетне паливо

Рідкий водень є найпоширенішим компонентом ракетних палив, яке використовується для реактивного прискорення ракет-носіїв і космічних апаратів. У більшості рідинних ракетних двигунах на водні, він спочатку застосовується для регенеративного охолодження сопла та інших частин двигуна, перед його змішуванням з окислювачем і спалюванням для отримання тяги. Використовувані сучасні двигуни на компонентах H 2 / O 2 споживають переобогащенная воднем паливну суміш, що призводить до деякого кількості незгорілого водню у вихлопі. Окрім збільшення питомої імпульсу двигуна за рахунок зменшення молекулярного ваги, це ще скорочує ерозію сопла і камери згоряння.

Такі перешкоди використання "ЖВ" в інших областях, як кріогенна природа і мала щільність, є також стримуючим фактором для використання в даному випадку. На 2009 існує тільки одна ракета-носій ( РН " Дельта-4 "), яка цілком є водневої ракетою. В основному" ЖВ "використовується або на верхніх щаблях ракет, або на блоках, які значну частину роботи з виведення корисного навантаження в космос виконують у вакуумі. В якості одного із заходів щодо збільшення щільності цього виду палива існують пропозиції використання шугообразного водню, тобто напівзамерзлий форми "ЖВ".


4.1. Водень з різними окислювачами

Дані наводяться на підставі [10] таблиць, опублікованих в США в рамках проекту збору термодинамічних даних "JANAF" ( англ. J oint A rmy N avy A ir F orce , "Збірник ВМС і ВПС армії США"), які широко використовуються в цих цілях. Спочатку обчислення проводилися компанією " Рокетдайн ". [11] При цьому робилися припущення, що має місце адіабатичне згоряння, ізоентропійное розширення в одному напрямку і має місце зсув рівноважного стану. Крім варіанту використання водню в якості палива, наводяться варіанти з використанням водню як робочого тіла, що пояснюється його невеликою молекулярною вагою. Всі дані розраховані для тиску в камері згоряння ("КС"), рівного 68,05 атмосфери. Останній рядок таблиці містить дані для газоподібних водню і кисню.

Оптимальне розширення від 68.05 атм до умов: поверхні Землі (1 атм) вакууму (0 атм, розширення сопла 40:1)
Окислювач Паливо Коментар V e r T c d C * V e r T c d C *
LOX H 2 поширене 3816 4.13 2740 0.29 2416 4462 4.83 2978 0.32 2386
H 2 - Be 49/51 4498 0.87 2558 0.23 2833 5295 0.91 2589 0.24 2850
CH 4 / H 2 92.6/7.4 3126 3.36 3245 0.71 1920 3719 3.63 3287 0.72 1897
F 2 H 2 4036 7.94 3689 0.46 2556 4697 9.74 3985 0.52 2530
H 2 - Li 65.2/34.0 4256 0.96 1830 0.19 2680
H 2-Li 60.7/39.3 5050 1.08 1974 0.21 2656
OF 2 H 2 4014 5.92 3311 0.39 2542 4679 7.37 3587 0.44 2499
F 2 / O 2 30/70 H 2 3871 4.80 2954 0.32 2453 4520 5.70 3195 0.36 2417
GOX GH 2 3997 3.29 2576 - 2550 4485 3.92 2862 - 2519
У таблиці використані позначення: r [-] - Масове співвідношення суміші "окислювач / паливо";
V e [ м / сек ] - Середня швидкість витікання газів;
C * [ м / сек ] - характеристична швидкість;
T c [ C ] - Температура в КС;
d [ гр / см ] - середня щільність палива та окислювача;

при цьому "V e" є тією ж одиницею, що і питомий імпульс, але приведена до розмірності швидкості [ Н * сек / кг ], а "C *" обчислюється шляхом множення тиску в камері згоряння на коефіцієнт розширення площі сопла і подальшого розподілу на швидкість витрати маси палива і окислювача, що дає приріст швидкості на одиницю маси.


5. Небезпека

Рідкий водень досить небезпечний для людини. Попадання LH на шкіру може викликати обмороження, а вдихання парів привести до набряку легенів.

Примітки

  1. IPTS-1968 - media.iupac.org/publications/pac/1970/pdf/2203x0555.pdf (en)
  2. Рідке повітря / водень - www.astronautix.com/props/liqirlh2.htm (en)
  3. Вільям Каллен, "Про виробництво холоду, виробленого при випаровуванні рідин і деякі інші способи отримання холоду", в "Essays and Observations Physical and Literary Read Before a Society in Edinburgh and Published by Them, II", (Единбург, 1756) (en)
  4. США: 1851 Джон Горі - www.myoutbox.net/popch20.htm (en)
  5. США: 1851 Патент 8080 - first page (en)
  6. НАСА: Водень протягом XIX століття - history.nasa.gov/SP-4404/app-a1.htm (en)
  7. Перетворення водню "Орто-Пара". Стор. 13 - www.mae.ufl.edu/NasaHydrogenResearch/h2webcourse/L11-liquefaction2.pdf (en)
  8. Водень в якості альтернативного палива - www.almc.army.mil/alog/issues/MayJun00/MS492.htm (en)
  9. "Воднева безпека" (en-wiki)
  10. NIST-JANAF Thermochemical Tables 2 Volume-Set, (Journal of Physical and Chemical Reference Data Monographs) - www.amazon.com/NIST-JANAF-Thermochemical-Physical-Reference-Monographs/dp/1563968312, Hardcover: 1951 pp, Publisher: American Institute of Physics; 4th edition ( 1 серпня 1998), Language: English, ISBN 1-56396-831-2, ISBN 978-1-56396-831-0
  11. Modern Engineering for Design of Liquid-Propellant Rocket Engines, (Progress in Astronautics and Aeronautics) - www.amazon.com/Engineering-Liquid-Propellant-Progress-Astronautics-Aeronautics/dp/1563470136, Huzel and Huang, Rocketdyne division of Rockwell International

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Водень
Хлористий водень
Рідкий гелій
Рідкий кисень
Рідкий азот
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru