Открыть главное меню

Жидкий водород

Жи́дкий водоро́д (ЖВ, жH2, жH2, LH2, LH2) — жидкое агрегатное состояние водорода, с низкой плотностью − 0,07 г/см³, и криогенными свойствами с точкой замерзания 14,01 K (−259,14 °C) и точкой кипения 20,28 K (−252,87 °C)[1]. Является бесцветной жидкостью без запаха, которая при смешивании с воздухом относится к взрывоопасным веществам с диапазоном коэффициента воспламенения 4—75 %. Спиновое соотношение изомеров в жидком водороде[en] составляет: 99,79 % — параводород; 0,21 % — ортоводород[2]. Коэффициент расширения[en] водорода при смене агрегатного состояния на газообразное при комнатной температуре составляет 848:1.

Процесс заливки жидкого водорода в контейнер
У этого термина существуют и другие значения, см. Сжиженный газ.

Как и для любого другого газа, сжижение водорода приводит к уменьшению его объёма. После сжижения жидкий водород хранится в термически изолированных контейнерах под давлением. Жидкий водород используется в промышленности (в качестве формы хранения газа) и в космонавтике (в качестве криогенного ракетного топлива).

История

Первое документированное использование искусственного охлаждения в 1756 году было осуществлено английским учёным Вильямом Калленом[3], Гаспар Монж первым получил жидкое состояние оксида серы в 1784 году, Майкл Фарадей первым получил сжиженный аммиак, американский изобретатель Оливер Эванс первым разработал холодильный компрессор в 1805 году, Яков Перкинс первым запатентовал охлаждающую машину в 1834 году и Джон Гори первым в США запатентовал кондиционер в 1851 году[4][5], Вернер Сименс предложил концепцию регенеративного охлаждения в 1857 году, Карл Линде запатентовал оборудование для получения жидкого воздуха с использованием каскадного «эффекта расширения Джоуля — Томсона» и регенеративного охлаждения[6] в 1876 году. В 1885 году польский физик и химик Зигмунд Вро́блевский опубликовал критическую температуру водорода 33 K, критическое давление 13.3 атм. и точку кипения при 23 K. Впервые водород был сжижен Джеймсом Дьюаром в 1898 году с использованием регенеративного охлаждения и своего изобретения, сосуда Дьюара. Первый синтез устойчивого изомера жидкого водорода — параводорода — был осуществлен Полом Хартеком и Карлом Бонхеффером в 1929 году.

Спиновые изомеры водорода

Водород при комнатной температуре состоит на 75 % из спинового изомера, ортоводорода. После производства жидкий водород находится в метастабильном состоянии и должен быть преобразован в параводородную форму, для того чтобы избежать спонтанной экзотермической реакции его превращения, приводящей к сильному самопроизвольному испарению полученного жидкого водорода. Преобразование в параводородную фазу обычно производится с использованием таких катализаторов, как оксид железа, оксид хрома, активированный уголь, покрытых платиной асбестов, редкоземельных металлов или путём использования урановых или никелевых добавок[7].

Использование

Жидкий водород может быть использован в качестве формы хранения топлива для двигателей внутреннего сгорания и топливных элементов. Различные проекты водородного транспорта были созданы с использованием этой агрегатной формы водорода (см. например DeepC[en] или BMW H2R[en]). Благодаря близости конструкций, создатели техники на жидком водороде могут использовать или только дорабатывать системы, использующие сжиженный природный газ (СПГ). Однако из-за более низкой объёмной плотности энергии для горения требуется больший объём водорода, чем природного газа. Если жидкий водород используется вместо СПГ в поршневых двигателях, обычно требуется более громоздкая топливная система. При прямом впрыске увеличившиеся потери во впускном тракте уменьшают наполнение цилиндров.

Жидкий водород используется также для охлаждения нейтронов в экспериментах по нейтронному рассеянию. Массы нейтрона и ядра водорода практически равны, поэтому обмен энергией при упругом столкновении наиболее эффективен.

Преимущества

Преимуществом использования водорода является «нулевая эмиссия» его применения. Продуктом его взаимодействия с кислородом в воздухе является вода, но в реальности — как и в случае с обычными ископаемыми энергоносителями — из-за наличия в воздухе молекул азота при его горении образуется также незначительное количество оксидов этого газа. В качестве топлива для транспортных средств, эксплуатируемых на открытом воздухе, водород при авариях и протечках не скапливается на месте, а уходит вверх, в атмосферу, что снижает пожароопасность.

Препятствия

Один литр жидкого водорода весит всего 0,07 кг. То есть его удельная плотность составляет 70,99 г/л при 20 K. Жидкий водород требует криогенной технологии хранения, такой как специальные теплоизолированные ёмкости и требует особого обращения, что свойственно для всех криогенных материалов. Он близок в этом отношении к жидкому кислороду, но требует большей осторожности из-за пожароопасности. Даже в случае с ёмкостями с тепловой изоляцией его тяжело содержать при той низкой температуре, которая требуется для его сохранения в жидком состоянии (обычно он испаряется со скоростью 1 % в день[8]). При обращении с ним также нужно следовать обычным мерам безопасности при работе с водородом («Водородная безопасность») — он достаточно холоден для сжижения воздуха, что взрывоопасно. Жидкий водород при атмосферном давлении имеет очень узкий температурный диапазон стабильности — всего 7 градусов Цельсия, что создает определенные трудности при хранении.

Ракетное топливо

Жидкий водород является распространенным компонентом ракетного топлива, которое используется для реактивного ускорения ракет-носителей и космических аппаратов. В большинстве жидкостных ракетных двигателей на водороде, он сначала применяется для регенеративного охлаждения сопла и других частей двигателя, перед его смешиванием с окислителем и сжиганием для получения тяги. Используемые современные двигатели на компонентах H2/O2 потребляют переобогащенную водородом топливную смесь, что приводит к некоторому количеству несгоревшего водорода в выхлопе. Кроме увеличения удельного импульса двигателя за счет уменьшения молекулярного веса, это ещё сокращает эрозию сопла и камеры сгорания.

Такие препятствия использования ЖВ в других областях, как криогенная природа и малая плотность, являются также сдерживающим фактором для использования в данном случае. На 2009 год существует только одна ракета-носитель («Дельта-4»), которая целиком является водородной ракетой. В основном ЖВ используется либо на верхних ступенях ракет, либо на разгонных блоках, которые значительную часть работы по выводу полезной нагрузки в космос выполняют в вакууме. В качестве одной из мер по увеличению плотности этого вида топлива существуют предложения использования шугообразного водорода, то есть полузамерзшей формы ЖВ.

Водород с разными окислителями

Данные приводятся на основании[9] таблиц, опубликованных в США в рамках проекта сбора термодинамических данных «JANAF» (англ. Joint Army Navy Air Force, «Сборник ВМС и ВВС армии США»), которые широко используются в этих целях. Изначально вычисления производились компанией «Рокетдайн».[10] При этом делались предположения, что имеет место адиабатическое сгорание, изоэнтропийное расширение в одном направлении и имеет место смещение равновесного состояния. Кроме варианта использования водорода в качестве топлива, приводятся варианты с использованием водорода в качестве рабочего тела, что объясняется его небольшим молекулярным весом. Все данные рассчитаны для давления в камере сгорания («КС»), равного 68,05 атмосфер. Последняя строка таблицы содержит данные для газообразных водорода и кислорода.

Оптимальное расширение от 68.05 атм до условий: поверхности Земли (1 атм) вакуума (0 атм, расширение сопла 40:1)
Окислитель Топливо Комментарий Ve r Tc d C* Ve r Tc d C*
жO2 H2 распространено 3816 4.13 2740 0.29 2416 4462 4.83 2978 0.32 2386
H2-Be 49/51 4498 0.87 2558 0.23 2833 5295 0.91 2589 0.24 2850
CH4/H2 92.6/7.4 3126 3.36 3245 0.71 1920 3719 3.63 3287 0.72 1897
F2 H2 4036 7.94 3689 0.46 2556 4697 9.74 3985 0.52 2530
H2-Li 65.2/34.0 4256 0.96 1830 0.19 2680
H2-Li 60.7/39.3 5050 1.08 1974 0.21 2656
OF2 H2 4014 5.92 3311 0.39 2542 4679 7.37 3587 0.44 2499
F2/O2 30/70 H2 3871 4.80 2954 0.32 2453 4520 5.70 3195 0.36 2417
O2 H2 3997 3.29 2576 - 2550 4485 3.92 2862 - 2519
В таблице использованы обозначения: r [-] — массовое соотношение смеси «окислитель/топливо»;
Ve [м/сек] — средняя скорость истечения газов;
C* [м/сек] — характеристическая скорость;
Tc [°C] — температура в КС;
d [г/см³] — средняя плотность топлива и окислителя;

при этом «Ve» является той же единицей, что и удельный импульс, но приведена к размерности скорости [Н*сек/кг], а «C*» вычисляется путём умножения давления в камере сгорания на коэффициент расширения площади сопла и последующего деления на массовый расход топлива и окислителя, что дает приращение скорости на единицу массы.

Опасность

Жидкий водород довольно опасен для человека. Попадание ЖВ на кожу может вызвать обморожение, а вдыхание паров привести к отёку легких.

См. также

  • Криогеника
  • Водород
  • Топливо
    1. ↑ IPTS-1968 Архивная копия от 14 августа 2017 на Wayback Machine (en)
    2. ↑ Жидкий воздух/водород Архивная копия от 5 ноября 2016 на Wayback Machine (en)
    3. ↑ Уильям Каллен, «О производстве холода, произведенного при испарении жидкостей и некоторые другие способы получения холода», в «Essays and Observations Physical and Literary Read Before a Society in Edinburgh and Published by Them, II», (Эдинбург, 1756) (en)
    4. ↑ США: 1851 Джон Гори Архивная копия от 28 сентября 2008 на Wayback Machine (en)
    5. ↑ США: 1851 Патент 8080 Архивная копия от 2 апреля 2019 на Wayback Machine (en)
    6. ↑ НАСА: Водород в течение XIX века Архивная копия от 25 декабря 2017 на Wayback Machine (en)
    7. ↑ Преобразование водорода «Орто-Пара». Стр. 13 Архивировано 16 декабря 2008 года. (en)
    8. ↑ Водород в качестве альтернативного топлива Архивировано 8 августа 2008 года. (en)
    9. ↑ NIST-JANAF Thermochemical Tables 2 Volume-Set, (Journal of Physical and Chemical Reference Data Monographs) Архивная копия от 18 января 2017 на Wayback Machine, Hardcover: 1951 pp, Publisher: American Institute of Physics; 4th edition (1 августа 1998), Language: English, ISBN 1-56396-831-2, ISBN 978-1-56396-831-0
    10. ↑ Modern Engineering for Design of Liquid-Propellant Rocket Engines, (Progress in Astronautics and Aeronautics) Архивная копия от 28 августа 2018 на Wayback Machine, Huzel and Huang, Rocketdyne division of Rockwell International

    Ссылки

    • Жидкий водород (недоступная ссылка), Водородная энциклопедия (недоступная ссылка)
Яндекс.Метрика