Nestemäinen vety ( LH , LH2 , LH 2 , LH2 , LH 2 ) - vedyn nestemäinen aggregaatiotila , alhainen tiheys - 0,07 g / cm³ ja kryogeeniset ominaisuudet, jonka jäätymispiste on 14,01 K ( -259,14 ° C ) ja a kiehumispiste 20,28 K ( -252,87 °C ) [1] . Se on väritön, hajuton neste, joka ilman kanssa sekoitettuna luokitellaan räjähdysherkäksi ja jonka syttyvyysalue on 4-75 %. Pyöritä isomeerien suhde nestemäisessä vedyssä on: 99,79 % - paravetyä ; 0,21 % - ortovetyä [2] . Vedyn laajenemiskerroin , kun aggregaatiotila muuttuu kaasumaiseksi huoneenlämpötilassa, on 848:1.
Kuten minkä tahansa muun kaasun tapauksessa, vedyn nesteyttäminen johtaa sen tilavuuden pienenemiseen. Nesteytymisen jälkeen nestemäinen vety varastoidaan lämpöeristetyissä painesäiliöissä. Nestemäistä vetyä käytetään teollisuudessa (kaasun varastoinnin muotona) ja avaruudessa ( kryogeenisenä ponneaineena ).
Ensimmäisen dokumentoidun keinotekoisen jäähdytyksen käytön vuonna 1756 suoritti englantilainen tiedemies William Cullen [3] , Gaspard Monge sai ensimmäisenä rikkioksidin nestemäisen tilan vuonna 1784 , Michael Faraday sai ensimmäisenä nesteytetyn ammoniakin , amerikkalainen keksijä Oliver Evans kehitti ensimmäisenä jäähdytyskompressorin vuonna 1805 , Jacob Perkins patentoi ensimmäisenä jäähdytyskoneen vuonna 1834 ja John Gorey patentoi ensimmäisenä Yhdysvalloissa ilmastointilaitteen vuonna 1851 [4] [5] , Werner Siemens ehdotti regeneratiivisen jäähdytyksen konseptia vuonna 1857 , Carl Linde patentoi laitteiston nestemäisen ilman tuottamiseen käyttämällä " joule-Thomson- laajennusvaikutusta " ja regeneratiivista jäähdytystä [6] vuonna 1876 . Vuonna 1885 puolalainen fyysikko ja kemisti Sigmund Wroblewski julkaisi vedyn kriittisen lämpötilan 33 K ja kriittisen paineen 13,3 atm. ja kiehumispiste 23 K. James Dewar nesteytti vedyn ensimmäisen kerran vuonna 1898 käyttämällä regeneratiivista jäähdytystä ja hänen keksintöään, Dewar-astiaa . Ensimmäisen nestemäisen vedyn stabiilin isomeerin , paravedyn , synteesin suorittivat Paul Harteck ja Karl Bonhoeffer vuonna 1929 .
Vety huoneenlämpötilassa koostuu 75 % spin- isomeerista , ortovedystä . Nestemäinen vety on valmistuksen jälkeen metastabiilissa tilassa ja se on muutettava paravetymuotoon , jotta vältetään sen muuttumisen spontaani eksoterminen reaktio , joka johtaa tuloksena olevan nestemäisen vedyn voimakkaaseen spontaaniin haihtumiseen. Muuntaminen paravetyfaasiin tehdään yleensä käyttämällä katalyyttejä , kuten rautaoksidia , kromioksidia , aktiivihiiltä , platinapäällystettyä asbestia , harvinaisia maametalleja tai käyttämällä uraania tai nikkeliä [ 7] .
Nestemäistä vetyä voidaan käyttää polttoainevarastona polttomoottoreissa ja polttokennoissa . Erilaisia vedyn kuljetusprojekteja on luotu käyttämällä tätä vedyn aggregaattimuotoa (katso esimerkiksi DeepC tai BMW H2R ). Suunnittelujen läheisyydestä johtuen nestemäisen vetyteknologian luojat voivat käyttää tai vain muokata nesteytettyä maakaasua (LNG) käyttäviä järjestelmiä. Pienemmästä tilavuusenergiatiheydestä johtuen palaminen vaatii kuitenkin suuremman määrän vetyä kuin maakaasu . Jos mäntämoottoreissa käytetään nestemäistä vetyä CNG:n sijasta, tarvitaan yleensä isompi polttoainejärjestelmä. Suoraruiskutuksella lisääntyneet häviöt imukanavassa vähentävät sylinterien täyttöä.
Nestemäistä vetyä käytetään myös neutronien jäähdyttämiseen neutronien sirontakokeissa. Neutronin ja vetyytimen massat ovat lähes yhtä suuret, joten energianvaihto elastisen törmäyksen aikana on tehokkainta.
Vedyn käytön etuna on sen käytön "nollapäästö". Sen vuorovaikutuksen tuote ilman hapen kanssa on vesi , mutta todellisuudessa - kuten tavanomaisten fossiilisten energiankantajien tapauksessa - ilmassa olevien typpimolekyylien vuoksi tämän kaasun oksideja muodostuu myös pieni määrä kaasun aikana. sen palaminen. Ajoneuvojen polttoaineena ulkoilmassa vety ei keräänny paikalleen onnettomuuksien ja vuotojen sattuessa, vaan se nousee ilmakehään, mikä vähentää palovaaraa.
Yksi litra nestemäistä vetyä painaa vain 0,07 kg . Eli sen ominaispaino on 70,99 g / l 20 K lämpötilassa. Nestemäinen vety vaatii kryogeenistä varastointitekniikkaa, kuten erityisiä lämpöeristettyjä säiliöitä, ja vaatii erityiskäsittelyä, joka on yhteistä kaikille kryogeenisille materiaaleille. Se on tässä suhteessa lähellä nestemäistä happea , mutta vaatii enemmän varovaisuutta palovaaran vuoksi. Jopa lämpöeristetyissä astioissa on vaikeaa pitää sitä alhaisessa lämpötilassa, joka vaaditaan nestemäisenä (se haihtuu tyypillisesti 1 % päivässä [8] ). Sitä tulee myös käsitellä tavanomaisin vetyturvallisuusvaroin (" Vetyturvallisuus ") - se on tarpeeksi kylmää nesteyttääkseen ilmaa, joka on räjähtävää. Nestemäisellä vedyllä ilmakehän paineessa on erittäin kapea lämpötilan stabiilisuusalue - vain 7 celsiusastetta, mikä aiheuttaa tiettyjä vaikeuksia varastoinnin aikana.
Nestemäinen vety on yleinen rakettipolttoaineen komponentti , jota käytetään kantorakettien ja avaruusalusten suihkukäyttöön . Useimmissa nestemäistä polttoainetta käyttävissä rakettimoottoreissa vetyä käytetään ensin suuttimen ja muiden moottorin osien regeneratiiviseen jäähdyttämiseen ennen kuin se sekoitetaan hapettimeen ja poltetaan työntövoiman tuottamiseksi . Nykyaikaiset H 2 /O 2 -käyttöiset moottorit kuluttavat runsaasti vetypitoista polttoaineseosta, jolloin pakokaasuihin jää palamatonta vetyä. Sen lisäksi, että tämä lisää moottorin ominaisimpulssia pienentämällä molekyylipainoa , se vähentää myös suuttimen ja polttokammion kulumista .
Tällaiset esteet LH:n käytölle muilla alueilla, kuten kryogeenisyys ja alhainen tiheys, ovat myös pelote käytettäväksi tässä tapauksessa. Vuodesta 2009 lähtien on olemassa vain yksi kantoraketti (" Delta-4 "), joka on kokonaan vetyraketti. Pohjimmiltaan LH:ta käytetään joko rakettien ylemmissä vaiheissa tai ylemmissä vaiheissa, jotka suorittavat merkittävän osan hyötykuorman avaruuteen avaruuteen tyhjiössä. Yhtenä toimenpiteenä tämän tyyppisen polttoaineen tiheyden lisäämiseksi on ehdotettu lietteen kaltaisen vedyn eli puolijäädytetyn LH:n käyttöä.
Tiedot on _.perusteellataulukoiden]9[julkaistujenpuitteissatiedonkeruuprojektintermodynaamisen-JANAFssa:USAannettu _ Aluksi laskelmat teki Rocketdyne . [10] Samaan aikaan oletettiin, että tapahtuu adiabaattista palamista, isentrooppista laajenemista yhteen suuntaan ja tasapainotilassa tapahtuu siirtymä. Vedyn polttoaineen käyttömahdollisuuden lisäksi tarjotaan vaihtoehtoja käyttää vetyä työnesteenä , mikä selittyy sen alhaisella molekyylipainolla . Kaikki tiedot perustuvat 68,05 ilmakehän palotilan paineeseen (” CC ”) . Taulukon viimeinen rivi sisältää tiedot kaasumaisesta vedystä ja hapesta .
| Optimaalinen laajennus 68,05 atm :stä olosuhteisiin: | Maan pinta (1 atm ) | tyhjiö (0 atm , suuttimen laajennus 40:1) | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Hapettaja | Polttoaine | Kommentti | V e | r | Tc_ _ | d | C* | V e | r | Tc_ _ | d | C* |
| wO 2 | H2_ _ | laajalle levinnyt | 3816 | 4.13 | 2740 | 0,29 | 2416 | 4462 | 4.83 | 2978 | 0,32 | 2386 |
| H 2 - Ole 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 | |||||||
| 2 _ | H2_ _ | 4014 | 5.92 | 3311 | 0,39 | 2542 | 4679 | 7.37 | 3587 | 0,44 | 2499 | |
| F 2 / O 2 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 | |
| Taulukossa käytetään seuraavia merkintöjä: | r | [-] | - " hapetusaine/polttoaine " -seoksen massasuhde ; |
| V e | [ m / s ] | on kaasujen ulosvirtauksen keskimääräinen nopeus; | |
| C* | [ m / s ] | on ominaisnopeus ; | |
| Tc_ _ | [ °C ] | - kompressoriaseman lämpötila ; | |
| d | [ g / cm³ ] _ | — polttoaineen ja hapettimen keskimääräinen tiheys ; |
kun taas " V e " on sama yksikkö kuin ominaisimpulssi , mutta vähennettynä nopeuden mittaan [ N * s / kg ] , ja " C * " lasketaan kertomalla polttokammion paine polttokammion laajenemiskertoimella . suuttimen pinta-ala ja jakamalla sitten polttoaineen ja hapettimen massakulutuksella , mikä lisää nopeutta massayksikköä kohti.
Nestemäinen vety on varsin vaarallista ihmisille. Ihokosketus voi aiheuttaa paleltumia, ja höyryjen hengittäminen voi johtaa keuhkoödeemaan.