Машины для перевозки жидкого азота

Жидкий азотный носитель питается от жидкого азота, который хранится в резервуаре. Традиционные конструкции азотных двигателей работают, нагревая жидкий азот в теплообменнике, выделяя тепло от окружающего воздуха и используя полученный сжатый газ для управления поршневым или роторным двигателем. Транспортные средства, приводимые в движение жидким азотом, были продемонстрированы, но не используются коммерчески. Один из таких автомобилей Liquid Air был продемонстрирован в 1902 году.

Движение жидкого азота также может быть включено в гибридные системы, например, в электрическую тягу батареи и топливные баки для подзарядки батарей. Такая система называется гибридным жидким азотом-электрическим двигателем. Кроме того, регенеративное торможение также может использоваться вместе с этой системой.

В июне 2016 года начнутся испытания в Лондоне, Великобритания, в супермаркете J Sainsbury’s флота транспортных средств для доставки еды: используя азотный двигатель Dearman, чтобы обеспечить питание для охлаждения пищевых грузов, когда транспортное средство находится в неподвижном состоянии, а основной двигатель выключен. В настоящее время грузовые автомобили в основном имеют 2-х меньшие дизельные двигатели для охлаждения мощности, когда главный двигатель выключен.

Описание
Жидкий азот образуется при помощи криогенных или обратных охладителей двигателя Стирлинга, которые разжижают основной компонент воздуха, азота (N2). Кулер может питаться от электричества или посредством прямой механической работы от гидро- или ветровых турбин. Жидкий азот распределяется и хранится в изолированных контейнерах. Изоляция уменьшает тепловой поток в запасенный азот; это необходимо, потому что тепло из окружающей среды кипит жидкость, которая затем переходит в газообразное состояние. Уменьшение притока тепла уменьшает потерю жидкого азота при хранении. Требования к хранению препятствуют использованию трубопроводов в качестве транспортного средства. Поскольку магистральные трубопроводы будут дорогостоящими из-за требований к изоляции, было бы дорого использовать отдаленные источники энергии для производства жидкого азота. Запасы нефти обычно находятся на большом расстоянии от потребления, но могут переноситься при температуре окружающей среды.

Потребление жидкого азота, по сути, происходит в обратном порядке. Двигатель Стирлинга или криогенный тепловой двигатель предлагает путь к силовым транспортным средствам и средствам для выработки электроэнергии. Жидкий азот может также служить в качестве прямого хладагента для холодильников, электрооборудования и кондиционеров. Потребление жидкого азота фактически кипит и возвращает азот в атмосферу.

В двигателе Дирмана азот нагревается путем объединения его с теплоносителем внутри цилиндра двигателя.

Описание и использование

Использование в криогенных
В настоящее время жидкий азот используется в криогениках, например, для охлаждения сверхпроводящих магнитов в оборудовании с ядерным магнитным резонансом, в более сложных типах инфракрасных датчиков, в магловских поездах maglev, в компьютерных микрочипах, которые используют эффект Джозефсона, и, возможно, в будущем в сверхпроводящих магнитов реакторов токамака, предназначенных для ядерного синтеза. Было также предложено использовать жидкий азот для охлаждения сверхпроводящих керамических листов и, таким образом, для строительства электрических линий длиной в тысячи километров, которые, например, приведут жидкий азот и электричество (без какого-либо сопротивления) на тысячи километров от ядерных реакторов в Арктике, до северных городов, таких как Чикаго или Нью-Йорк.

В медицине прямое применение происходит при холодной криоконсервации клеток, таких как сперматозоиды и яйцеклетки, для искусственного осеменения или для оплодотворения in vitro. С распространением беременностей, распространением онкологических заболеваний, которые часто требуют стерилизации терапии, а также некоторыми методами оплодотворения, применяемыми к женщинам в возрасте 60 лет, существует вероятность того, что многие люди могут сохранять свои гаметы (или эмбрионы) на протяжении десятилетий, прежде чем начать беременность. Некоторые люди в Аризоне, после смерти (или прекращения их существования, страдающие неизлечимыми заболеваниями), у них была голова или целое тело в замороженном состоянии, а отдаленная надежда в супертехнологическом будущем была «оттаивания» с методы футуристические, надлежащим образом обработаны и впоследствии возрождаются и возвращаются к новому здоровому образу жизни. У вас нет ни малейшего представления о том, могут ли эти попытки добиться успеха.

В аэрокосмической области жидкий азот используется НАСА в качестве средства для концентрирования и хранения холода, безопасно, в течение длительного времени, которое будет использоваться (после электролиза воды), чтобы довести кислород и воду до температуры сжижения. водород, используемый в ракетном двигателе, таком как «Шаттл». Увеличение использования этих видов топлива и / или окисленного кислородного горючего неизбежно приведет к увеличению потребления жидкого азота. Использование жидкого азота в этой роли НАСА уже привело к жертвам удушья 2, и поскольку это абсолютно без запаха газ, технические специалисты, которые были рядом, внезапно вдохнули атмосферу с процентным содержанием кислорода и абсолютным низким (потому что на тех температура части кислорода конденсируется как жидкость на земле), что сопоставимо с абсолютным давлением O 2 по сравнению с высотой Эвереста.

В забойной промышленности мясо можно было сохранить, даже на протяжении многих лет, это позволяет удерживать цены стабильными на протяжении многих лет (вычитая мясо с рынков в периоды низкого потребления и помещая его в пики) или создавать стратегические резервы, которые будут использоваться в ходе войн или катастроф.

Использование в экологической инженерии
Во времена Советского Союза было обнаружено, что, распыляя жидкий азот в нижнюю атмосферу, туман может быть осажден путем конденсации или замораживания водяного пара или микроскопических капель воды из тумана. Это позволило в безветренные дни открыть военные аэропорты, создав вокруг них туманную зону.

В настоящее время такая же техника может быть использована для создания зон истощения тумана, вблизи аэропортов, автомагистралей или важных памятников. В качестве пагубного эффекта будет небольшое снижение температуры в непосредственной близости. В 1998 году, вдоль шоссе Триест-Венеция, русские продемонстрировали эту процедуру.

Другие возможные виды использования жидкого азота относятся к индукции дождя (распылением облаков жидким азотом) или отклонением ураганов (путем распыления его на морских участках), снижением температуры и, следовательно, давления, что может привести к тому, что возмущение отклонится к область более низкого давления, например, вдали от материка.

Использование в транспорте
В настоящее время большинство дорожных транспортных средств получают от двигателя внутреннего сгорания, который сжигает ископаемое топливо. Если мы предположим, что автомобильный транспорт должен быть устойчивым в долгосрочной перспективе, текущее топливо должно быть заменено чем-то другим, которое производится возобновляемой энергией. Заместитель не обязательно должен быть источником энергии «tout court»; а скорее средством передачи и концентрации энергии, сопоставимой с какой-то «энергетической валютой».

Жидкий азот при низкой температуре, проходящий от трубки к трубе и расширяющий и поглощающий внешнее тепло окружающей среды в вентилируемую сетку, значительно увеличивает свое давление и может перемещать турбину, подключенную к электрическому генератору, который подает электричество на электродвигатели, которые нажмите колеса. Различные турбины, установленные последовательно, могут развивать ток от различных перепадов температуры и давления, и, наконец, выбросы производятся 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 существует риск обморока и удушья).

В настоящее время, используя аналогичные принципы, построено несколько прототипов двигателей сжатого воздуха, которые на практике выделяют тепло из окружающей среды и превращают его в кинетическую энергию. Эти двигатели часто застревают из-за чрезмерного холода и конденсируются на их дренажах льда, даже если их резервуары (в кевларе) содержат сжатый воздух при температурах, равных или превышающих температуры окружающей среды. Фактически, воздух состоит из 78% молекулярного азота.

Использование при дистилляции морской воды путем конденсации
Извлеките относительно теплую морскую воду (20-40 ° C), присутствующую в бухтах и ​​лагунах тропических атоллов, далее нагревая их параболическими зеркалами или газовыми горелками при температуре около 60-80 ° C, а затем заставляя ее «испаряться» в (около 70-80% от атмосферного давления), его можно конденсировать в следующем контейнере при температуре около 5-10 ° С, охлажденном внутри коаксиального контейнера с нетоксичной рабочей жидкостью (например, этанолом) и с с низкой температурой плавления, которая, в свою очередь, охлаждается путем прохождения вокруг резервуара жидкого азота. Подключение испарительного бака к конденсационной емкости с большой трубой, оборудованной воздушными турбинами низкого давления, также генерирует электричество.

В испарительном баке концентрация соли значительно возрастет, и, следовательно, контейнер должен периодически опорожняться. Горячая остаточная вода, полученная с высокой концентрацией соли, может быть помещена в наружные бассейны, откуда через некоторое время общая испаряющаяся морская соль (NaCl) будет получена выпариванием. Рабочая жидкость (например, этанол), контактирующая с морской водой, доводится до температуры около 20-25 ° C, что может быть полезно для кондиционирования воздуха.

Производство азота (из воздуха)
Жидкий азот образуется криогенными морозильными камерами и конденсаторами или сжатием, полученным охлажденным двигателем Стирлинга, что приводит к общему воздуху к давлениям и температурам, которые могут вызвать основную составляющую воздуха для изменения фазы в жидком состоянии. азот (N 2, равный 78% воздуха, которым мы дышим). Эти системы охлаждения могут питаться от возобновляемой энергии, вырабатывающей электроэнергию, или путем непосредственной эксплуатации механических работ (с двигателем Стирлинга), полученных от ветровых турбин или гидротурбин, лучше, если они находятся в холодном климате.

Жидкий азот производится и хранится в специальных изолированных контейнерах: изоляция, сводящая к минимуму тепловой поток к внутренней части контейнера, уменьшает потерю азота из-за испарения и переконфигурации в газ. Требования к хранению предотвращают распределение азота через трубы: было бы неэкономично поддерживать весь трубопровод в требуемой температуре.

Использование двигателя Стирлинга в обратном порядке
Потребление жидкого азота было бы чем-то большим, чем обратное его производству: тот же двигатель Стирлинга, который делал жидкий азот, преобразовывал его в газ, восстанавливая энергию, затрачиваемую на процесс сжижения, и обеспечивал источник энергии для автомобилей и электрических генераторы. Также можно было бы использовать жидкий азот в качестве хладагента для холодильников и кондиционеров, а затем позволяя полученному газовому азоту возвращаться в атмосферу, из которой он был извлечен.

преимущества
Автомобили с жидким азотом во многом сопоставимы с электромобилями, но используют жидкий азот для хранения энергии вместо батарей. Их потенциальные преимущества перед другими транспортными средствами включают:

Подобно электрическим транспортным средствам, автомобили с жидким азотом, в конечном счете, будут питаться через электрическую сеть, что упрощает фокусировку на уменьшении загрязнения из одного источника, в отличие от миллионов автомобилей на дороге.
Транспортировка топлива не требуется из-за вытягивания электроэнергии из электрической сети. Это дает значительную экономическую выгоду. Загрязнение, создаваемое при транспортировке топлива, будет устранено.
Более низкие эксплуатационные расходы
Резервуары с жидким азотом можно утилизировать или утилизировать с меньшим загрязнением, чем батареи.
Транспортные средства с жидким азотом не ограничены проблемами деградации, связанными с текущими аккумуляторными системами.
Резервуар может быть пополнен чаще и за меньшее время, чем батареи, которые могут быть перезаряжены, с коэффициентами повторного заправки, сравнимыми с жидким топливом.
Он может работать как часть комбинированного силового агрегата в сочетании с бензиновым или дизельным двигателем, используя отработанное тепло от одного для запуска другого в турбокомпрессорной системе. Он может даже работать как гибридная система.

Недостатки
Основным недостатком является неэффективное использование первичной энергии. Энергия используется для сжижения азота, что, в свою очередь, обеспечивает энергию для запуска двигателя. Любое преобразование энергии имеет потери. Для автомобилей с жидким азотом электрическая энергия теряется в процессе сжижения азота.

Жидкий азот не доступен на общественных заправочных станциях; однако на большинстве поставщиков сварочного газа существуют распределительные системы, а жидкий азот является избыточным побочным продуктом производства жидкого кислорода.

Другие виды использования
В 2008 году Патентное ведомство США предоставило патент на турбинный двигатель с жидким азотом. Турбина вспыхивает – расширяет жидкий азот, который распыляется в секцию высокого давления турбины, а расширяющийся газ объединяется с входящим сжатым воздухом для получения высокоскоростного потока газа, который выбрасывается из задней части турбины. Полученный газовый поток может использоваться для привода генераторов или других устройств. Система не была продемонстрирована для питания электрических генераторов мощностью более 1 кВт, однако, возможно, более высокая выходная мощность.

Политические аргументы
Возможность сделать текущие тепловые двигатели пригодными для жидкого азота и достижения различных средств производства, вероятно, может привести к диверсификации, локализации и стабильности энергетического рынка. [без источника]

Одна из возможностей диверсификации энергетики включает в себя водородную экономику, фотовольтаику и альтернативы биотопливу.

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

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

С экологической точки зрения воздействие углекислого газа, выделяемого ископаемым топливом, является (наряду с обезлесением) одной из основных причин парникового эффекта. Другим побочным ущербом, создаваемым ископаемым топливом, являются кислотные дожди, разрушение ландшафта, загрязнение водоносного горизонта и морей. Крайне важно найти альтернативы ископаемым видам топлива, которые позволяют хранить на большие расстояния и транспортировать энергию.

Критицизмы

Себестоимость продукции
Производство жидкого азота является энергоемким процессом. В настоящее время практические холодильные установки, производящие несколько тонн / день жидкого азота, работают примерно на 50% от эффективности Карно. В настоящее время избыточный жидкий азот образуется в качестве побочного продукта при производстве жидкого кислорода.

Плотность энергии жидкого азота
Любой процесс, который опирается на изменение фазы вещества, будет иметь гораздо более низкую плотность энергии, чем процессы, связанные с химической реакцией в веществе, которые, в свою очередь, имеют более низкую плотность энергии, чем ядерные реакции. Жидкий азот в качестве хранилища энергии имеет низкую плотность энергии. Для сравнения, жидкое углеводородное топливо имеет высокую плотность энергии. Высокая плотность энергии делает логистику транспорта и хранения более удобной. Удобство является важным фактором при принятии потребителя. Удобное хранение нефтяного топлива в сочетании с его низкой стоимостью привело к непревзойденному успеху. Кроме того, нефтяное топливо является источником первичной энергии, а не только хранилищем энергии и транспортной средой.

Плотность энергии, полученная из изобарического тепла испарения азота и удельной теплоемкости в газообразном состоянии, которая может быть реализована из жидкого азота при атмосферном давлении и нулевой градусах Цельсия, составляет около 97 ватт-часов на килограмм (Вт • ч / кг). Это сравнивается со 100-250 Вт • ч / кг для литий-ионной батареи и 3000 Вт • ч / кг для двигателя с бензиновым двигателем, работающего с 28% -ным тепловым КПД, в 30 раз превышающим плотность жидкого азота, используемого при эффективности Карно.

Для того, чтобы изотермический двигатель расширения имел диапазон, сопоставимый с двигателем внутреннего сгорания, требуется 350-литровый (92 US галлон) изолированный бортовой накопитель. Практический объем, но заметное увеличение по сравнению с типичным бензиновым баком объемом 50 литров (13 US gal). Добавление более сложных циклов питания уменьшит это требование и поможет обеспечить работу без мороза. Однако не существует коммерчески практических примеров использования жидкого азота для транспортного средства.

Формообразование
В отличие от двигателей внутреннего сгорания, использование криогенной рабочей жидкости требует теплообменников для нагрева и охлаждения рабочей жидкости. Во влажной среде образование замерзания предотвратит тепловой поток и, следовательно, представляет собой технический вызов. Чтобы предотвратить образование мороза, можно использовать несколько рабочих жидкостей. Это добавляет циклы доливки, чтобы гарантировать, что теплообменник не опустится ниже нуля. Дополнительные теплообменники, вес, сложность, потеря эффективности и затраты потребуются для обеспечения безморозной работы.

безопасности
Однако эффективная изоляция на топливном баке азота неизбежно будет падением испарения в атмосферу. Если транспортное средство хранится в плохо вентилируемом помещении, существует определенный риск того, что утечка азота может снизить концентрацию кислорода в воздухе и вызвать удушье. Поскольку азот представляет собой бесцветный и без запаха газ, который уже составляет 78% 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 90,2 К, кислород из атмосферы может конденсироваться. Жидкий кислород может спонтанно и яростно реагировать с органическими химикатами, включая нефтепродукты, такие как асфальт.

Поскольку коэффициент расширения жидкости и газа этого вещества составляет 1: 694, можно получить огромное количество силы, если жидкий азот быстро испарится. В инциденте, произошедшем в 2006 году в Техасском университете A & M, устройства для сброса давления в резервуаре с жидким азотом были запечатаны латунными заглушками. В результате резервуар катастрофически потерпел катастрофу и взорвался.

Танки
Баки должны быть спроектированы с учетом стандартов безопасности, подходящих для сосуда высокого давления, такого как ISO 11439.

Бак для хранения может быть изготовлен из:

Сталь
алюминий
Углеродные волокна
Кевлар
другие материалы или комбинации вышеуказанных.

Волокнистые материалы значительно легче, чем металлы, но в целом дороже. Металлические резервуары могут выдерживать большое количество циклов давления, но периодически проверяются на коррозию. Жидкий азот, LN2, обычно транспортируется в изолированных резервуарах до 50 литров при атмосферном давлении. Эти резервуары, находящиеся под давлением, не подлежат проверке. Очень большие резервуары для LN2 иногда под давлением до менее 25 фунтов на квадратный дюйм, чтобы помочь в переносе жидкости в точке использования.

Выход эмиссии
Как и другие технологии хранения энергии, не связанные с горючим, транспортное средство с жидким азотом вытесняет источник выбросов из хвостовой трубы транспортного средства к центральной электрогенерирующей установке. Там, где отсутствуют источники выбросов, можно сократить производство загрязняющих веществ. Меры борьбы с выбросами на центральной генерирующей установке могут быть более эффективными и менее дорогостоящими, чем обработка выбросов широкодисперсных транспортных средств.