ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ХРАНЕНИЕ ЖИДКОГО ВОДОРОДА ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Впервые жидкий водород был получен еще в 1898 г., однако тех­

нология производства и хранения больших объемов сжиженного водорода была разработана лишь недавно благодаря усилиям исследователей из NASA.

Самая крупная установка из существующих расположена на мысе Канаверал и имеет емкость 3375 м3. Плотность жидкого водорода составляет 71 кг/м’, поэтому данная установка может аккумулировать 240 ООО кг жидкого водо­рода, что эквивалентно 34 ТДж, т. е. лишь немногим меньше энергоемкости Лудингтонской станции.

Существует две модификации молекулы водорода — пара - и ортоводород.

В молекуле параводорода ядерные спины атомов, составляющих молекул' направлены противоположно, а в молекуле ортоводорода ядерные спины сона - правлены. В жидком состоянии параводород (р-Н2) имеет более низкое значение энтальпии, чем ортоводород (о-Н2). При температуре кипения (20,4 К) при атмос­ферном давлении (0,1 МПа) разница энтальпий составляет 1,406 МДж/кмоль.

Реакция конверсии пара - и ортоводорода

р-Н2 <г■> о-Н2

протекает непрерывно и зависящие от температуры равновесные концентрации компонентов известны. При нормальных условиях равновесные концентрации пара - и ортоводорода составляют 25 и 75 % соответственно, а при температуре нормального кипения 20,4 К равновесная концентрация р-Н увеличивается до

99,7 9%. Из-за небольшой скорости реакции конверсии концентрация молеку о-Н2 в водороде непосредственно после ожижения существенно превышает равновесную. Превращение ор/яомолекул в яо/ммолекулы водорода протекает с выделением теплоты, что приводит к испарению жидкого водорода даже пр отсутствии внешнего подвода теплоты.

Жидкий водород сразу после конденсации теряет 1 % массы в течение первогг часа и 50 % массы в течение первой недели, даже если находится в идеально адиа­батических условиях. Для того, чтобы уменьшить эти потери, ортомолекулы прсос разуется в парамолекулы каталитическим способом в процессе ожижения водорода Желательно, чтобы концентрация р-Н2 в процессе конверсии достигала 95 %.

Рассматривалась возможность использования жидкого водорода как топлива дтя самолетов. Компанией Lokhid проводились исследования характеристик сверхзвуко­вого пассажирского самолета, предназначенного для перевозки 234 пассажиров на расстояния до 7800 км на скоростях, соответствующих числам Маха М = 2,7. Общая масса самолета, использующего в качестве топлива керосин, составляет 232 т, из которых 72 т — масса топлива.[21]* Самолет с такими же техническими характеристи­
ками, летающий на водородном топливе, будет иметь общую массу всего 169 т, из которых на топливо будет приходиться менее 22 т.

Коммерческие модели водородных самолетов вряц ли появятся в обозримом будущем. Существующие сегодня разработки сверхзвуковых самолетов, рассчи­танных на полет с числом Маха М = 3, ориентированы на реактивные самолеты, использующие в качестве топлива керосин. Однако вполне вероятно, что двига­тели самолетов, предназначенных для полета в космосе, будут работать на водо­роде. Проект такого самолета был предложен недавно. Это будет гиперзвуковой самолет (число Маха М = 8), который может совершать орбитальный полет при взлете с подходящей взлетно-посадочной полосы[22]*.

Одна из проблем, которая возникает при движении в атмосфере Земли с вы­сокой скоростью, это высокая температура. Температура торможения при движе­нии тела в газе (температура, до которой нагревается газ в точке, где скорость ■потока относительно тела равна нулю) определяется как

(3)

Для воздуха коэффициент у = 1,4, и формула (3) преобразуется к виду

— = 1 + 0,2М[23]. Т

О. С.

При М = 2,5 и у = 1,4 отношение Т/Тос = 3,25, а при М = 25 это отношение..оставляет 226. Это означает, что при этой скорости движения и температуре окружающей среды 300 К температура торможения будет равна 67 800 К.

Очевидно, что материалов, которые могли бы выдержать такую темпера­туру, просто не существует. Таким образом, теплоту, выделяющуюся на ло­бовых поверхностях фюзеляжа, крыльев и управляющих элементах самолета необходимо интенсивно отводить. Часть тепла может быть отведена излуче­нием и теплопроводностью, а часть — путем охлаждения. Водородное топли­во в жидком состоянии может быть использовано для охлаждения наиболее термически нагруженных элементов самолета, прежде чем оно поступит в двигатель в виде газа.

Сжижаемый водород должен быть высокой степени чистоты, так как при­месные газы кристаллизуются в процессе сжижения водорода и могут засорить трубопровод. Если образуются кристаллы кислорода, могут происходить взры­вы. Обычно технические условия требуют, чтобы концентрация кислорода не превышала 10 промилле.

В установках, используемых на практике, для того, чтобы сконденсировать 1 кг водорода, необходимо затратить 40 МДж энергии. Это невозобновля­емые затраты энергии; таким образом, общая эффективность цикла равна

143/(143+40) = 0,78 (78 %).

Зависимость стоимости установки по ожижению водорода от ее производи­тельности нелинейна; стоимость пропорциональна М0,7, где М — производи­тельность установки.

Температура торможения

Сумма энтальпии и кинетической энергии движущегося газа есть величина посто­янная:

(5)

В приведенной формуле все величины отнесены к единице массы. Положим темпера­туру Тг постоянной и равной температуре окружающей среды Ne с, а скорость потока и, = v равной постоянной скорости движущегося объекта. В точке полного торможения потока скорость газа, по определению, равна нулю. Таким образом,

(6)

Т, 1 Vі

— = 1 +--------------------------

Скорость звука с = yffRToc, поэтому

(8)

где М = м/с — число Маха. Принимая во внимание, что

(9>

и

(10)

получаем

(11)