Шугообразный водород что это

Химмотология ракетных и реактивных топлив, страница 14

Описание файла

Документ из архива «Химмотология ракетных и реактивных топлив», который расположен в категории «книги и методические указания». Всё это находится в предмете «топлива и теория рабочих процессов в жрд» из восьмого семестра, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе «книги и методические указания», в предмете «топлива и теория рабочих процессов в жрд» в общих файлах.

Онлайн просмотр документа «Химмотология ракетных и реактивных топлив»

Текст 14 страницы из документа «Химмотология ракетных и реактивных топлив»

Рис. 4.2. Зависимость теплоемкости жидкого водорода от температуры при различных давлениях (цифры у кривых, МПа)

(Ср) и при постоянном объеме (cv) в зависимости от темпера­туры могут быть рассчитаны по уравнениям

Зависимости динамической вязкости, а также диэлектриче­ской проницаемости, теплопроводности и поверхностного натя­жения жидкого водорода от температуры приведены на рис. 4.3. Изменения этих же свойств жидкого водорода в зависимо-

Рис. 4 3 Зависимость диэлектрической проницаемости , теплопроводности , поверхностного натяжения  и вязкости ) жидкого водорода от темпе­ратуры

Рис. 4.4. Зависимость давления насыщенных паров жидкого водорода от температуры:

P1. P2 и р — давления для соответствующих температур T1, T2 и Tз

сти от температуры (Т) могут быть вычислены по следующим уравнениям:

На рис. 4.4 представлена зависимость давления насыщен­ных паров жидкого водорода от температуры.

Наибольшим давлением насыщенных паров характеризует­ся параводород. Чем выше температура, тем более заметна разница в давлении насыщенных паров параводорода и нор­мального водорода. Давление насыщенных паров (р) жидкого водорода в зависимости от температуры (Т) можно вычислить по уравнению (гПа):

При хранении больших объемов жидкого водорода важное значение приобретает коэффициент его термического расшире­ния а, который зависит от температуры:

Водород способен адсорбироваться на поверхности метал­лов. Диффузия водорода в металлы возрастает с повышением температуры и давления. При атмосферном давлении диффу­зия водорода в железо начинается при 400 °С и резко возра­стает при температурах 1450—1550 °С, когда в одном объеме железа растворяется до двух объемов водорода. Это связано с тем, что при 1539 °С железо плавится. Наибольшая раство­римость водорода в палладии, в одном объеме которого мо­жет раствориться 850 объемов водорода. Диффузия водорода в металлы ухудшает их твердость, термическую стойкость, те­кучесть, электрическую проводимость, магнитные и другие свойства. При растворении водорода в углеродистой стали в ней появляются пузырьки и трещины вследствие газовой во­дородной коррозии. Последняя возникает при декарбонизации углеродистого сплава по схеме: Fe2C+2H2=2Fe+CH4. Этот процесс устраняется путем легирования стали добавкой хрома, молибдена, вольфрама, ванадия и других элементов [49].

В условиях нормальных и отрицательных температур водо­род мало активен. Его реакционная способность сильно возра­стает при нагревании, под воздействием ультрафиолетового и

радиоактивного облучения, а также в присутствии катализато­ров. Повышение активности водорода связано с образованием атомарного водорода, обладающего высокой реакционной спо­собностью.

Водород энергично взаимодействует с окислителями. Так, взрывом сопровождается реакция водорода с фтором при тем­пературе —252 °С даже в темноте. С хлором и бромом водород реагирует лишь на свету или при нагревании, а с иодом — только при нагревании. Контакт жидкого водорода с жидким кислородом может сопровождаться взрывом [50].

Водород обладает высокой термической стабильностью. За­метное разложение его на атомы происходит только при тем-лературах выше 2500—3000 °С. В ряде ЖРД водород исполь­зуют для охлаждения стенок камер сгорания и реактивного сопла [4].

Жидкий водород (и другие криогенные компоненты) ракет­ных топлив в баках ракет в условиях космоса склонны к теп­ловому расслаиванию. Для предотвращения этого явления в США предложено перемешивать криогенные компоненты ра­кетных топлив с помощью струи продукта, подаваемой вдоль оси бака [51].

4.1.2. ШУГООБРАЗНЫЙ, ГЕЛЕОБРАЗНЫЙ И ТВЕРДЫЙ ВОДОРОД

Для увеличения дальности и продолжительности полетов со­временных и перспективных орбитальных, лунных и’межпланет­ных космических кораблей необходимо улучшать эксплуата­ционные свойства жидкого водорода. В первую очередь имеет­ся в виду снижение испаряемости и повышение плотности до-дородного горючего. С этой целью в последние годы разрабо­таны три новых вида водородного горючего: шугообразный, гелеобразный и твердый [52—54].

Шугообразный водород представляет собой жидкий продукт, в составе которого содержится 39—59% твердого водорода. Применение шугообразного водорода на космических кораблях типа «Аполлон» может увеличить полезную нагрузку прибли­зительно на 5800 кг.

Большие трудности возникают при хранении, перекачивании и заправке ракет шугообразным водородом. Для обеспечения длительного хранения его в условиях полета необходима высо­коэффективная изоляция. Перекачивать шугообразный водород по теплоизолированным трубам можно центробежными насоса­ми или путем выдавливания. Если содержание твердой фазы менее 40%, шугообразный водород перекачивают по трубопро­водам как обычную ньютоновскую жидкость. При содержании твердого водорода более 40% потери давления в трубопрово­дах увеличиваются, и по характеру перекачивания продукт приближается к суспензиям. В уровнях перекачивания шуго-образного водорода с содержанием твердой фазы менее 40% потери давления в трубопроводах такие же, как и при пере­качивании жидкого водорода. Напорные и кавитационные характеристики перекачивающих центробежных насосов для жидкого и шугообразного водорода будут идентичными [55]. Замена жидкого водорода шугообразным позволит не только увеличить на 40% полезную нагрузку, но и в 10 раз сократить потери водорода на дренаж в наземных и космических усло­виях.

С целью сокращения потерь жидкого водорода от испаре­ния в последнее время уделяется большое внимание получению гелеобразного водорода. Лучшие результаты в этом направле­нии получаются при желатинизации шугообразного водорода [56]’. Количество гелеобразующего агента прямо пропорцио­нально содержанию жидкости в шугообразном водороде. Раз­работаны способ получения гелеобразного водорода и усло­вия его стабилизации.

Несомненный интерес для космических полетов представ­ляет использование в ракетной технике твердого водорода, что-позволит дополнительно увеличить полезную нагрузку и уменьшить потери водорода от испарения. На базе твердого водорода при высоких давлениях и низкой температуре можно получить водород, обладающий свойствами металла. Установ­лено, что для получения такого водорода необходимо создавать давление при прессовании твердого водорода (0,8— 2,6) • 10 s МПа. Металлообразный водород считается перспек­тивным горючим для ракетной космической техники [57].

4.2. СОСТАВ И СВОЙСТВА УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГОРЮЧИХ

Использование углеводородных соединений в качестве ракет­ного горючего было предложено К. Э. Циолковским еще в 1914 г. [1, 4], и до настоящего времени они широко применяют­ся в ракетной технике. Высокие энергетические характеристи­ки, наличие сырьевой и производственной базы, относительно невысокая стоимость и малая токсичность, а также большой опыт использования этих горючих в двигателях других типов предопределили повышенный интерес к ним как к горючим для жидкостных ракетных двигателей. Наибольшее распростра­нение получили горючие типа керосина на основе дистиллятов прямой перегонки нефти (фракция 140—280 °С) и продуктов вторичной ее переработки. Применяют также горючие широ­кого фракционного состава с температурой выкипания 65— 280 °С, в составе которых находятся бензиновые и лигроиновые фракции (табл. 4.1) ‘[58].

Для улучшения эксплуатационных свойств, и в первую оче­редь энергетических, а также повышения стабильности углево­-

дородные горючие подвергают глубокому гидрированию. В про­цессе гидрирования снижается содержание ароматических угле­водородов и олефинов. Деароматизированные горючие обладают высокими скоростью и полнотой сгорания, а также лучшими низкотемпературными свойствами [4].

В последнее время повышенный интерес проявляется к син­тетическим углеводородным горючим, которые представляют собой индивидуальные углеводороды либо смесь нескольких углеводородов с заданными энергетическими

характеристиками и эксплуатационными свойствами. Как правило, это—эндо­термические соединения с повышенной плотностью. Энергия, затраченная на образование таких соединений, дополнительно выделяется при их сгорании в камере двигателя [59, 60].

Состав горючих. Углеводородные ракетные горючие обычно включают лигроиновые, керосиновые и частично газойлевые фракции нефти. В. горючее широкого фракционного состава входят также бензиновые фракции с пределами выкипания 65—180 °С [14]. По способу производства горючие делят на прямогонные, гидрированные, крекинговые и синтетические.

Углеводородный состав прямогонных ракетных горючих зависит от их фракционного состава и сорта перерабатываемой нефти (табл. 4.2) [61, 62]. Элементный состав углеводородных горючих представлен в табл. 4.3.

В качестве примесей в углеводородном горючем присут­ствуют сера, азот- и кислородсодержащие соединения, вклю­чая смолистые вещества, растворимые в горючем. Содержание этих примесей невелико, однако в ряде случаев они отрица­тельно влияют на эксплуатационные свойства горючего. Содер­жание органических соединений серы может составлять 0,5—1,5%, азоторганических соединений—до 0,12%, кислородсо­

держащих—0,1—0,25% и смолистых веществ—0,005—0,025% [63]. Кроме того, в виде коллоидных и мелкодисперсных частиц размером 20 мкм в горючем имеются (до 0,0003%) твердые микрозагрязнения. Это продукты коррозии железа и минеральные примеси, включающие соединения кремния, кальция, магния, алюминия и натрия [62—64]. В углеводородных горючих в растворенном виде присутствуют также вода (0,003—0,009%) и кислород (0,0052—0,007%) [65].

Состав и физико-химические свойства высокоплотных син­тетических ракетных горючих представлены в табл. 4.4. Структуры углеводородов, входящих в эти топлива, показаны ниже:

Источник

Как получить жидкий водород

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 ракетного топлива).

Содержание

История [ править | править код ]

Спиновые изомеры водорода [ править | править код ]

Использование [ править | править код ]

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 «ЖВ» 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 [ править | править код ]

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 [ править | править код ]

Один литр «ЖВ» 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 [ править | править код ]

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 [ править | править код ]

CH₄/H₂ 92.6/7.4O₂

Оптимальное расширение от 68.05 атм до условий:			поверхности Земли (1 атм)					вакуума (0 атм, расширение сопла 40:1)
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
3126	3.36	3245	0.71	1920	3719	3.63	3287	0.72	1897
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
H2	4014	5.92	3311	0.39	2542	4679	7.37	3587	0.44	2499
H2	3871	4.80	2954	0.32	2453	4520	5.70	3195	0.36	2417
H2	3997	3.29	2576	—	—	2519

[-]	— 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 «V_e» 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 [ править | править код ]

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

Жидкий водород – одно из агрегатных состояний водорода. Выделяют еще газообразное и твердое состояние этого элемента. И если газообразная форма хорошо знакома многим, то остальные два крайних состояния вызывают вопросы.

История

Жидкий водород был получен только в тридцатых годах прошлого века, но до этого химия прошла долгий путь по освоению такого способа хранения газов и применения.

Искусственное охлаждение экспериментально начали применять в середине восемнадцатого века в Англии. В 1984 году получили сжиженный диоксид серы и аммиак. На основе этих исследований через двадцать лет был разработан первый холодильник, а еще через тридцать лет Перкинс оформил официальный патент на свое изобретение. В 1851 году по другую сторону Атлантического океана Джон Гори заявил о правах на создание кондиционера.

До водорода дело дошло только в 1885 году, когда поляк Вроблевский анонсировал в своей статье тот факт, что точка кипения этого элемента равна 23 Кельвинам, пик температуры – 33 Кельвинам, а критическое давление равно 13 атмосферам. После этого заявления создать жидкий водород попытался Джеймс Дьюар в конце 19-го века, но стабильной субстанции у него не получилось.

Физические свойства

Данное агрегатное состояние характеризуется очень низкой плотностью вещества – сотые доли граммов на кубический сантиметр. Это дает возможность использовать относительно маленькие емкости, чтобы хранить жидкий водород. Температура кипения равна всего 20 Кельвинам (-252 по Цельсию), а замерзает эта субстанция уже при 14 Кельвинах.

Жидкость не имеет запаха, цвета и вкуса. Смешивание ее с кислородом может привести к взрыву в половине случаев. При достижении температуры кипения водород переходит в газообразное состояние, и его объем увеличивается в 850 раз.

После сжижения водород помещается в изолированные контейнеры, в которых поддерживается низкое давление и температура в промежутке от 15 до 19 Кельвинов.

Распространенность водорода

Жидкий водород производится искусственно и в естественной среде не встречается. Если не брать в расчет агрегатные состояния, то водород – самый распространенный элемент не только на планете Земля, но и во Вселенной. Из него состоят звезды (в том числе и наше Солнце), им заполнено пространство между ними. Водород принимает участие в реакциях термоядерного синтеза, а также может образовывать облака.

В земной коре этот элемент занимает всего лишь около процента от всего количества вещества. Его роль в нашей экосистеме можно оценить по тому факту, что число атомов водорода по количеству уступает только кислороду. На нашей планете практически все запасы Н₂ находятся в связанном состоянии. Водород — составная часть всех живых существ.

Использование

Жидкий водород активно используется физиками как охладитель в их экспериментах с нейтронами. Так как масса элементарной частицы и ядра водорода практически равны, обмен энергией между ними является весьма эффективным.

Преимущества и препятствия

Жидкий водород дает возможность замедлить нагревание атмосферы и уменьшить количество парниковых газов, если применять его в качестве топлива для автомобилей. При его взаимодействии с воздухом (после прохождения через двигатель внутреннего сгорания) будет образовываться вода и незначительно количество оксида азота.

Однако у этой идеи есть и свои трудности, например, способ хранения и транспортировки газа, а также повышенная опасность воспламенения или даже взрыва. Даже при условии соблюдения всех мер предосторожности предотвратить испарение водорода не удается.

Ракетное топливо

Жидкий водород (температура хранения до 20 Кельвинов) является одним из компонентов ракетного топлива. У него есть несколько функций:

Современные ракетные двигатели работают на комбинации водород-кислород. Это помогает достичь нужной скорости для преодоления притяжения земли и при этом сохранить все части летательных аппаратов, не подвергая их действию чрезмерных температур.

На данный момент существует только одна ракета, которая полностью использует водород в качестве топлива. В большинстве случаев жидкий водород необходим для отделения верхних ступеней ракет или в тех аппаратах, которые большую часть работы проведут в вакууме. От исследователей поступали предложения использовать наполовину замороженную форму этого элемента, чтобы повысить его плотность.

Источник