Введение
Топлива, требующие хранения при очень низких температурах для поддержания жидкого состояния. Криогенные топлива – это топлива, требующие хранения при экстремально низких температурах для сохранения их в жидком состоянии. Эти топлива используются в аппаратах, работающих в космосе (например, в ракетах и спутниках), где обычное топливо неприменимо из-за очень низких температур, часто встречающихся в космосе, и отсутствия среды, поддерживающей горение (на Земле кислород в изобилии содержится в атмосфере, в то время как осваиваемое человеком космическое пространство – это вакуум, где кислорода практически нет). Криогенные топлива чаще всего представляют собой сжиженные газы, такие как жидкий водород. Некоторые ракетные двигатели используют регенеративное охлаждение – практику циркуляции криогенного топлива вокруг сопел перед подачей в камеру сгорания и воспламенением. Эта схема была впервые предложена Югеном Зенгером в 1940-х годах. Все двигатели ракеты «Сатурн-V», которая отправила первые пилотируемые миссии на Луну, использовали этот конструктивный элемент, который до сих пор применяется в двигателях на жидком топливе. Жидкий кислород довольно часто ошибочно называют криогенным топливом, хотя фактически это окислитель, а не топливо; как и в любом двигателе внутреннего сгорания, только некокислородный компонент процесса горения считается «топливом», хотя это различие условно. Российская авиастроительная компания Туполев разработала версию своего популярного самолета Ту-154 с криогенной топливной системой, получившую обозначение Ту-155. В качестве топлива использовался сжиженный природный газ (СПГ), первый полет состоялся в 1989 году.
Cryogenic fuels are fuels that require storage at extremely low temperatures in order to maintain them in a liquid state. These fuels are used in machinery that operates in space (e. g. rockets and satellites) where ordinary fuel cannot be used, due to the very low temperatures often encountered in space, and the absence of an environment that supports combustion (on Earth, oxygen is abundant in the atmosphere, whereas human explorable space is a vacuum where oxygen is virtually non existent). Cryogenic fuels most often constitute liquefied gases such as liquid hydrogen. Some rocket engines use regenerative cooling, the practice of circulating their cryogenic fuel around the nozzles before the fuel is pumped into the combustion chamber and ignited. This arrangement was first suggested by Eugen Sänger in the 1940s. All engines in the Saturn V rocket that sent the first crewed missions to the Moon used this design element, which is still in use today for liquid fueled engines. Quite often, liquid oxygen is mistakenly called cryogenic fuel, though it is actually an oxidizer and not fuel like in any combustion engine, only the non oxygen component of the combustion is considered "fuel", although this distinction is arbitrary. Russian aircraft manufacturer Tupolev developed a version of its popular Tu 154 design but with a cryogenic fuel system, designated the Tu 155. Using a fuel referred to as liquefied natural gas (LNG), its first flight was in 1989.
Операция
Криогенные топлива можно разделить на две категории: инертные и легковоспламеняющиеся или горючие. Оба типа используют значительное увеличение объема при переходе жидкости в газообразное состояние. Применимость криогенных топлив обусловлена так называемой высокой массовой скоростью потока. Благодаря регулированию, высокая плотность энергии криогенного топлива используется для создания тяги в ракетах и управляемого расхода топлива. Более подробная информация представлена в следующих разделах.
Двигатель сгорания
Криогенное горючее топливо обладает значительно большей эффективностью, чем большинство инертных видов топлива. Сжиженный природный газ, как и любое другое топливо, воспламеняется только при правильном смешивании с необходимым количеством воздуха. Что касается СПГ, то основная часть его эффективности зависит от метанового числа, которое является газовым эквивалентом октанового числа. Это определяется на основе содержания метана в сжиженном топливе и других растворенных газов и изменяется в зависимости от результатов экспериментальных испытаний.
Сжиженный природный газ
Хотя сжижение природного газа для хранения, транспортировки и использования экономически выгодно, около 10–15% газа расходуется в процессе. Оптимальный процесс включает четыре стадии охлаждения пропаном и две стадии охлаждения этиленом. Возможно добавление дополнительной ступени охлаждения, но дополнительные затраты на оборудование экономически нецелесообразны. Эффективность можно повысить за счет использования каскадных процессов с чистыми компонентами, которые минимизируют общую разницу температур между источником и потребителем, связанную с конденсацией хладагента. Оптимизированный процесс включает оптимизированную рекуперацию тепла и использование чистых хладагентов. Все проектировщики процессов заводов по сжижению, использующие проверенные технологии, сталкиваются с одной и той же задачей: эффективно охлаждать и конденсировать смесь с использованием чистого хладагента. В оптимизированном каскадном процессе смесь, подлежащая охлаждению и конденсации, является исходным газом. В процессах смешанного хладагента на основе пропана охлаждению и конденсации подлежат две смеси: исходный газ и смешанный хладагент. Основной источник неэффективности заключается в теплообменной колонне в процессе сжижения.
Преимущества
Криогенное топливо экологически чище бензина и ископаемого топлива. В частности, использование СПГ вместо бензина при транспортировке грузов потенциально может снизить выбросы парниковых газов на 11–20%. Помимо своей экологичности, криогенное топливо может значительно снизить транспортные расходы на внутренние товары благодаря своей большей доступности по сравнению с ископаемым топливом. Криогенное топливо имеет более высокую массовую скорость потока, чем ископаемое топливо, и, следовательно, обеспечивает большую тягу и мощность при сгорании в двигателе. Это означает, что двигатели смогут проезжать большее расстояние на меньшем количестве топлива, чем современные бензиновые двигатели. Криогенное топливо не является загрязнителем, поэтому в случае разлива оно не представляет опасности для окружающей среды и не требует очистки от опасных отходов.
Потенциальные недостатки
Некоторые криогенные топлива, такие как СПГ, от природы горючи. Воспламенение пролитого топлива может привести к мощному взрыву. Это возможно, например, при дорожно-транспортном происшествии с транспортным средством, оснащенным двигателем на СПГ.