Рідкий водень (РВ) — рідкий агрегатний стан водню, із низькою густиною, − 0,07 г/см³, та кріотехнічними властивостями із точкою замерзання 14,01K (−259,14°C) і точкою кипіння 20,28K (−252,87 °C). Є безбарвною рідиною без запаху, яка при змішуванні з повітрям належить до вибухонебезпечних речовин з діапазоном [en] 4—75 %. Спінове [en] складає: 99,79 % — (параводень); 0,21 % — (ортоводень). [en]водню при зміні агрегатного стану на газоподібний складає 848:1 при 20 K.
Рідкий водень | |
Класифікація та маркування безпеки | NFPA 704: Standard System for the Identification of the Hazards of Materials for Emergency Response[d] |
---|---|
Рідкий водень у Вікісховищі |
Як і для будь-якого іншого газу, скраплення водню призводить до зменшення його об'єму. Після скраплення рідкий водень зберігається в термічно ізольованих контейнерах під тиском. Рідкий водень(англ. Liquid hydrogen, LH2, LH2) активно використовується в промисловості, як форми зберігання газу, і в космонавтиці, як ракетного палива.
Історія
Перше задокументоване використання штучного в 1756 році було здійснено англійським вченим Вільямом Калленом, Гаспар Монж першим отримав рідкий стан діоксиду сірки в 1784 році, Майкл Фарадей першим отримав зріджений аміак, американський винахідник Оливер Еванс першим розробив холодильний компресор в 1805 році, Джейкоб Перкінс першим в США запатентував кондиціонер в 1851 році, Вернер Сіменс запропонував концепцію регенеративного охолодження в 1857 році, Карл Лінде запатентував обладнання для отримання рідкого повітря з використанням каскадного «ефекту розширення Джоуля — Томсона» і регенеративного охолодження в 1876 році. У 1885 році польський фізик і хімік Зигмунд Вроблевський опублікував критичну температуру водню 33 K, критичний тиск 13.3 атм. і точку кипіння при 23 K. Вперше водень був зріджений Джеймсом Дьюаром в 1898 році з використанням регенеративного охолодження і свого винаходу, посудини Дьюара. Перший синтез стабільного ізомеру рідкого водню — (параводню) — був здійснений [en] і [en] в 1929 році.
Спінові ізомери водню
Водень при кімнатній температурі складається на 75 % з спінового ізомеру, (ортоводню). Після виробництва рідкий водень знаходиться в метастабільному стані і повинен бути перетворений в (параводневу) форму, для того щоб уникнути спонтанної екзотермічної реакції його перетворення, що приводить до сильного мимовільного випаровування отриманого рідкого водню. Перетворення в параводневу фазу зазвичай проводиться з використанням таких каталізаторів, як оксид заліза, оксид хрому, активоване вугілля, покритих платиною азбестів, рідкоземельних металів або шляхом використання уранових або нікелевих добавок.
Використання
Рідкий водень може бути використаний як форма зберігання палива для двигунів внутрішнього згоряння і паливних комірок. Різні концепти водневого транспорту були створені з використанням цієї агрегатної форми водню. Завдяки близькості конструкцій, творці техніки на «РВ» можуть використовувати або тільки модифікувати системи, що використовують зріджений природний газ («ЗПГ»). Однак через більш низької об'ємної щільності енергії для горіння потрібно більший обсяг водню, ніж природного газу. Якщо рідкий водень використовується замість «СПГ» в поршневих двигунах, зазвичай потрібно більш громіздка паливна система. При прямому впорскуванні збільшилися втрати у впускному тракті зменшують наповнення циліндрів.
Рідкий водень використовується також для охолодження нейтронів в експериментах по нейтронному розсіюванню. Маси нейтрона і ядра водню практично рівні, тому обмін енергією при (пружному зіткненні) найбільш ефективний.
Переваги
Перевагою використання водню є «нульова емісія» його застосування. Продуктом його взаємодії з киснем в повітрі є вода, але в реальності — як і у випадку зі звичайними викопними енергоносіями — через наявність в повітрі молекул азоту при його горінні утворюється також незначна кількість оксидів цього газу.
Перешкоди
Один літр «РВ» важить лише 0,07 кг. Тобто його густина складає 70,99 г/л при 20K. Рідкий водень вимагає кріогенної технології зберігання, наприклад спеціальні термічно ізольовані контейнери і вимагає особливого поводження, що властиво для всіх кріотехнічних матеріалів. У цьому він близький до рідкого кисню, але вимагає більшої обережності через пожежонебезпеку. Навіть у випадку з контейнерами з тепловою ізоляцією, його важко утримувати при тій низькій температурі, яка потрібна для його збереження в рідкому стані (зазвичай він випаровується зі швидкістю 1 % в день). При поводженні з ним також потрібно дотримуватися звичайних заходів безпеки при роботі з воднем ([en]) — він досить холодний для скраплення повітря, що вибухонебезпечно.
Ракетне пальне
Рідкий водень є поширеним компонентом ракетного палива, яке використовується для реактивного прискорення ракет-носіїв і космічних апаратів. У більшості рідинних ракетних двигунах на водні, він спочатку застосовується для регенеративного охолодження сопла та інших частин двигуна, перед його змішуванням з окислювачем і спалюванням для отримання тяги. Сучасні двигуни що працюють на компонентах H2/O2 споживають перенасичену воднем паливну суміш, що призводить до неповного згоряння водню в вихлопі. Окрім збільшення питомого імпульсу двигуна за рахунок зменшення молекулярної ваги, це також зменшує ерозію сопла і камери згоряння.
Такі недоліки «РВ» як кріогенна природа і мала щільність є стримуючим фактором для використання його як ракетного пального. На 2009 рік існує лише одна ракета-носій (РН «Дельта-4»), яка на всіх своїх ступенях використовує як пальне «РВ». В основному «РВ» використовується або на верхніх ступенях ракет, або на блоках, які значну частину роботи з виведення корисного навантаження в космос виконують в вакуумі. Один із можливих заходів по збільшенню густини цього виду палива це використання шугоподібного водню, тобто напівзамерзлої форми «РВ».
Водень із різними окислювачами
Дані наводяться на основі таблиць, опублікованих в США в рамках проекту збору термодинамічних данных «JANAF» (англ. Joint Army Navy Air Force, «Збірник ВМС і ВВС армії США»), які широко використовуються в цих цілях. Спочатку обчислення наводилися компанією «». При цьому робилися припущення, що відбувається адіабатичне згоряння, ізоентропійне розширення в одному напрямку і має місце зміщення рівноважного стану. Крім варіанту використання водню як пальне, наводяться варіанти з використанням водню як робочого тіла, що пояснюється його невеликою молекулярною вагою. Всі дані розраховані для тиску в камері згоряння (« КЗ»), рівного 68,05 атмосфери. Останній рядок таблиці містить дані для газоподібних кисню і кисню.
Оптимальне розширення від 68.05 атм до умов: | поверхня Землі (1 атм) | вакуума (0 атм, разширення сопла 40:1) | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Окислювач | Паливо | Коментар | Ve | r | Tc | d | C* | Ve | r | Tc | d | C* |
LOX | H2 | поширено | 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 | |||||||
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 | |
GOX | GH2 | 3997 | 3,29 | 2576 | - | 2550 | 4485 | 3,92 | 2862 | - | 2519 |
У таблиці використані позначення: | r | [-] | — масове співвідношення суміші « окислювач / паливо »; |
Ve | [м/с] | — середня швидкість вильоту газів; | |
C* | [м/с] | — характеристича швидкість; | |
Tc | [°C] | — температура в КЗ; | |
d | [г/см³] | — палива і окислювача; |
при цьому «Ve» є тою ж одиницею, що і питомий імпульс, але приведена до розмірності швидкості [Н*с/кг], а «C*» обчислюється шляхом множення тиску в камері згоряння на коефіцієнт розширення площі сопла і подальшого поділу на масова витрата палива і окислювача, що дає приріст швидкості на одиницю маси.
Див. також
Небезпека
Рідкий водень досить небезпечний для людини. Попадання «РК» на шкіру може викликати обмороження, а вдихання парів привести до набряку легенів.
Примітки
- IPTS-1968 (en)
- Жидкий воздух/водород (en)
- Вільям 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)
- США: 1851 Джон Гори (en)
- США: 1851 Патент 8080 [ 2019-04-02 у Wayback Machine.] (en)
- НАСА: Водород в течение XIX века (en)
- Преобразование водорода «Орто-Пара». Стр. 13 [ 16 грудня 2008 у Wayback Machine.] (en)
- Водород в качестве альтернативного топлива [ 8 серпня 2008 у Wayback Machine.] (en)
- NIST-JANAF Thermochemical Tables 2 Volume-Set, (Journal of Physical and Chemical Reference Data Monographs), Hardcover: 1951 pp, Publisher: American Institute of Physics; 4th edition (1 серпня 1998року), Language: English, ,
- Modern Engineering for Design of Liquid-Propellant Rocket Engines, (Progress in Astronautics and Aeronautics), Huzel and Huang, Rocketdyne division of Rockwell International
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Ridkij voden RV ridkij agregatnij stan vodnyu iz nizkoyu gustinoyu 0 07 g sm ta kriotehnichnimi vlastivostyami iz tochkoyu zamerzannya 14 01K 259 14 C i tochkoyu kipinnya 20 28K 252 87 C Ye bezbarvnoyu ridinoyu bez zapahu yaka pri zmishuvanni z povitryam nalezhit do vibuhonebezpechnih rechovin z diapazonom en 4 75 Spinove en skladaye 99 79 paravoden 0 21 ortovoden en vodnyu pri zmini agregatnogo stanu na gazopodibnij skladaye 848 1 pri 20 K Ridkij vodenKlasifikaciya ta markuvannya bezpekiNFPA 704 Standard System for the Identification of the Hazards of Materials for Emergency Response d Ridkij voden u VikishovishiBak dlya ridkogo vodnyu v en Altlusgajm Nimechchina nimeckoyi himichnoyi kompaniyi Linde AG Yak i dlya bud yakogo inshogo gazu skraplennya vodnyu prizvodit do zmenshennya jogo ob yemu Pislya skraplennya ridkij voden zberigayetsya v termichno izolovanih kontejnerah pid tiskom Ridkij voden angl Liquid hydrogen LH2 LH2 aktivno vikoristovuyetsya v promislovosti yak formi zberigannya gazu i v kosmonavtici yak raketnogo paliva IstoriyaPershe zadokumentovane vikoristannya shtuchnogo v 1756 roci bulo zdijsneno anglijskim vchenim Vilyamom Kallenom Gaspar Monzh pershim otrimav ridkij stan dioksidu sirki v 1784 roci Majkl Faradej pershim otrimav zridzhenij amiak amerikanskij vinahidnik Oliver Evans pershim rozrobiv holodilnij kompresor v 1805 roci Dzhejkob Perkins pershim v SShA zapatentuvav kondicioner v 1851 roci Verner Simens zaproponuvav koncepciyu regenerativnogo oholodzhennya v 1857 roci Karl Linde zapatentuvav obladnannya dlya otrimannya ridkogo povitrya z vikoristannyam kaskadnogo efektu rozshirennya Dzhoulya Tomsona i regenerativnogo oholodzhennya v 1876 roci U 1885 roci polskij fizik i himik Zigmund Vroblevskij opublikuvav kritichnu temperaturu vodnyu 33 K kritichnij tisk 13 3 atm i tochku kipinnya pri 23 K Vpershe voden buv zridzhenij Dzhejmsom Dyuarom v 1898 roci z vikoristannyam regenerativnogo oholodzhennya i svogo vinahodu posudini Dyuara Pershij sintez stabilnogo izomeru ridkogo vodnyu paravodnyu buv zdijsnenij en i en v 1929 roci Spinovi izomeri vodnyuVoden pri kimnatnij temperaturi skladayetsya na 75 z spinovogo izomeru ortovodnyu Pislya virobnictva ridkij voden znahoditsya v metastabilnomu stani i povinen buti peretvorenij v paravodnevu formu dlya togo shob uniknuti spontannoyi ekzotermichnoyi reakciyi jogo peretvorennya sho privodit do silnogo mimovilnogo viparovuvannya otrimanogo ridkogo vodnyu Peretvorennya v paravodnevu fazu zazvichaj provoditsya z vikoristannyam takih katalizatoriv yak oksid zaliza oksid hromu aktivovane vugillya pokritih platinoyu azbestiv ridkozemelnih metaliv abo shlyahom vikoristannya uranovih abo nikelevih dobavok VikoristannyaEmblema 704 dlya stacionarnih ustanovok sho vikoristovuyut voden Ridkij voden mozhe buti vikoristanij yak forma zberigannya paliva dlya dviguniv vnutrishnogo zgoryannya i palivnih komirok Rizni koncepti vodnevogo transportu buli stvoreni z vikoristannyam ciyeyi agregatnoyi formi vodnyu Zavdyaki blizkosti konstrukcij tvorci tehniki na RV mozhut vikoristovuvati abo tilki modifikuvati sistemi sho vikoristovuyut zridzhenij prirodnij gaz ZPG Odnak cherez bilsh nizkoyi ob yemnoyi shilnosti energiyi dlya gorinnya potribno bilshij obsyag vodnyu nizh prirodnogo gazu Yaksho ridkij voden vikoristovuyetsya zamist SPG v porshnevih dvigunah zazvichaj potribno bilsh gromizdka palivna sistema Pri pryamomu vporskuvanni zbilshilisya vtrati u vpusknomu trakti zmenshuyut napovnennya cilindriv Ridkij voden vikoristovuyetsya takozh dlya oholodzhennya nejtroniv v eksperimentah po nejtronnomu rozsiyuvannyu Masi nejtrona i yadra vodnyu praktichno rivni tomu obmin energiyeyu pri pruzhnomu zitknenni najbilsh efektivnij Perevagi Perevagoyu vikoristannya vodnyu ye nulova emisiya jogo zastosuvannya Produktom jogo vzayemodiyi z kisnem v povitri ye voda ale v realnosti yak i u vipadku zi zvichajnimi vikopnimi energonosiyami cherez nayavnist v povitri molekul azotu pri jogo gorinni utvoryuyetsya takozh neznachna kilkist oksidiv cogo gazu Pereshkodi Odin litr RV vazhit lishe 0 07 kg Tobto jogo gustina skladaye 70 99 g l pri 20K Ridkij voden vimagaye kriogennoyi tehnologiyi zberigannya napriklad specialni termichno izolovani kontejneri i vimagaye osoblivogo povodzhennya sho vlastivo dlya vsih kriotehnichnih materialiv U comu vin blizkij do ridkogo kisnyu ale vimagaye bilshoyi oberezhnosti cherez pozhezhonebezpeku Navit u vipadku z kontejnerami z teplovoyu izolyaciyeyu jogo vazhko utrimuvati pri tij nizkij temperaturi yaka potribna dlya jogo zberezhennya v ridkomu stani zazvichaj vin viparovuyetsya zi shvidkistyu 1 v den Pri povodzhenni z nim takozh potribno dotrimuvatisya zvichajnih zahodiv bezpeki pri roboti z vodnem en vin dosit holodnij dlya skraplennya povitrya sho vibuhonebezpechno Raketne palneRidkij voden ye poshirenim komponentom raketnogo paliva yake vikoristovuyetsya dlya reaktivnogo priskorennya raket nosiyiv i kosmichnih aparativ U bilshosti ridinnih raketnih dvigunah na vodni vin spochatku zastosovuyetsya dlya regenerativnogo oholodzhennya sopla ta inshih chastin dviguna pered jogo zmishuvannyam z okislyuvachem i spalyuvannyam dlya otrimannya tyagi Suchasni dviguni sho pracyuyut na komponentah H2 O2 spozhivayut perenasichenu vodnem palivnu sumish sho prizvodit do nepovnogo zgoryannya vodnyu v vihlopi Okrim zbilshennya pitomogo impulsu dviguna za rahunok zmenshennya molekulyarnoyi vagi ce takozh zmenshuye eroziyu sopla i kameri zgoryannya Taki nedoliki RV yak kriogenna priroda i mala shilnist ye strimuyuchim faktorom dlya vikoristannya jogo yak raketnogo palnogo Na 2009 rik isnuye lishe odna raketa nosij RN Delta 4 yaka na vsih svoyih stupenyah vikoristovuye yak palne RV V osnovnomu RV vikoristovuyetsya abo na verhnih stupenyah raket abo na blokah yaki znachnu chastinu roboti z vivedennya korisnogo navantazhennya v kosmos vikonuyut v vakuumi Odin iz mozhlivih zahodiv po zbilshennyu gustini cogo vidu paliva ce vikoristannya shugopodibnogo vodnyu tobto napivzamerzloyi formi RV Voden iz riznimi okislyuvachami Dani navodyatsya na osnovi tablic opublikovanih v SShA v ramkah proektu zboru termodinamichnih dannyh JANAF angl Joint Army Navy Air Force Zbirnik VMS i VVS armiyi SShA yaki shiroko vikoristovuyutsya v cih cilyah Spochatku obchislennya navodilisya kompaniyeyu Pri comu robilisya pripushennya sho vidbuvayetsya adiabatichne zgoryannya izoentropijne rozshirennya v odnomu napryamku i maye misce zmishennya rivnovazhnogo stanu Krim variantu vikoristannya vodnyu yak palne navodyatsya varianti z vikoristannyam vodnyu yak robochogo tila sho poyasnyuyetsya jogo nevelikoyu molekulyarnoyu vagoyu Vsi dani rozrahovani dlya tisku v kameri zgoryannya KZ rivnogo 68 05 atmosferi Ostannij ryadok tablici mistit dani dlya gazopodibnih kisnyu i kisnyu Optimalne rozshirennya vid 68 05 atm do umov poverhnya Zemli 1 atm vakuuma 0 atm razshirennya sopla 40 1 Okislyuvach Palivo Komentar Ve r Tc d C Ve r Tc d C LOX H2 poshireno 3816 4 13 2740 0 29 2416 4462 4 83 2978 0 32 2386H2 Be 49 51 4498 0 87 2558 0 23 2833 5295 0 91 2589 0 24 2850CH4 H2 92 6 7 4 3126 3 36 3245 0 71 1920 3719 3 63 3287 0 72 1897F2 H2 4036 7 94 3689 0 46 2556 4697 9 74 3985 0 52 2530H2 Li 65 2 34 0 4256 0 96 1830 0 19 2680H2 Li 60 7 39 3 5050 1 08 1974 0 21 2656H2 4014 5 92 3311 0 39 2542 4679 7 37 3587 0 44 2499F2 O2 30 70 H2 3871 4 80 2954 0 32 2453 4520 5 70 3195 0 36 2417GOX GH2 3997 3 29 2576 2550 4485 3 92 2862 2519U tablici vikoristani poznachennya r masove spivvidnoshennya sumishi okislyuvach palivo Ve m s serednya shvidkist vilotu gaziv C m s harakteristicha shvidkist Tc C temperatura v KZ d g sm paliva i okislyuvacha pri comu Ve ye toyu zh odiniceyu sho i pitomij impuls ale privedena do rozmirnosti shvidkosti N s kg a C obchislyuyetsya shlyahom mnozhennya tisku v kameri zgoryannya na koeficiyent rozshirennya ploshi sopla i podalshogo podilu na masova vitrata paliva i okislyuvacha sho daye pririst shvidkosti na odinicyu masi Div takozhRidkij kisen Kriotehnika Voden Palivo Raketne palivoNebezpekaRidkij voden dosit nebezpechnij dlya lyudini Popadannya RK na shkiru mozhe viklikati obmorozhennya a vdihannya pariv privesti do nabryaku legeniv PrimitkiIPTS 1968 en Zhidkij vozduh vodorod en Vilyam Kallen O proizvodstve holoda proizvedennogo pri isparenii zhidkostej i nekotorye drugie sposoby polucheniya holoda v Essays and Observations Physical and Literary Read Before a Society in Edinburgh and Published by Them II Edinburg 1756 en SShA 1851 Dzhon Gori en SShA 1851 Patent 8080 2019 04 02 u Wayback Machine en NASA Vodorod v techenie XIX veka en Preobrazovanie vodoroda Orto Para Str 13 16 grudnya 2008 u Wayback Machine en Vodorod v kachestve alternativnogo topliva 8 serpnya 2008 u Wayback Machine en NIST JANAF Thermochemical Tables 2 Volume Set Journal of Physical and Chemical Reference Data Monographs Hardcover 1951 pp Publisher American Institute of Physics 4th edition 1 serpnya 1998roku Language English ISBN 1 56396 831 2 ISBN 978 1 56396 831 0 Modern Engineering for Design of Liquid Propellant Rocket Engines Progress in Astronautics and Aeronautics Huzel and Huang Rocketdyne division of Rockwell International