Flydende brint ( LH, LH2, LH 2 , LH2, LH 2 ) - flydende aggregeringstilstand af hydrogen , med lav massefylde - 0,07 g / cm³ , og kryogene egenskaber med et frysepunkt på 14,01 K ( -259,14 ° C ) og en kogepunkt på 20,28 K ( -252,87 °C ) [1] . Det er en farveløs, lugtfri væske, der, når den blandes med luft, er klassificeret som eksplosiv med et antændelighedsområde på 4-75%. Spin -forholdet af isomerer i flydende hydrogen er: 99,79% - parahydrogen ; 0,21 % - orthohydrogen [2] . Ekspansionskoefficienten for brint, når aggregeringstilstanden ændres til gasformig ved stuetemperatur, er 848:1.
Som med enhver anden gas fører likvefaktionen af brint til et fald i dens volumen. Efter fortætning opbevares flydende brint i termisk isolerede trykbeholdere. Flydende brint bruges i industrien (som en form for gaslagring) og i rummet (som et kryogent drivmiddel ).
Den første dokumenterede brug af kunstig køling i 1756 blev udført af den engelske videnskabsmand William Cullen [3] , Gaspard Monge var den første til at opnå den flydende tilstand af svovloxid i 1784 , Michael Faraday var den første til at opnå flydende ammoniak , den amerikanske opfinderen Oliver Evans var den første til at udvikle en kølekompressor i 1805 , Jacob Perkins var den første til at tage patent på en kølemaskine i 1834 og John Gorey var den første i USA til at tage patent på et klimaanlæg i 1851 [4] [5] , Werner Siemens foreslog konceptet regenerativ køling i 1857 , Carl Linde patenterede udstyr til at producere flydende luft ved hjælp af en kaskade "ekspansionseffekt Joule-Thomson " og regenerativ køling [6] i 1876 . I 1885 offentliggjorde den polske fysiker og kemiker Sigmund Wroblewski en kritisk temperatur for brint på 33 K , et kritisk tryk på 13,3 atm. og et kogepunkt på 23 K. Brint blev først flydende af James Dewar i 1898 ved hjælp af regenerativ køling og hans opfindelse, Dewar-fartøjet . Den første syntese af en stabil isomer af flydende brint, parahydrogen , blev udført af Paul Harteck og Karl Bonhoeffer i 1929 .
Brint ved stuetemperatur består af 75% af spin- isomeren , orthohydrogen . Efter produktion er flydende brint i en metastabil tilstand og skal omdannes til en parahydrogenform for at undgå en spontan eksoterm reaktion af dets omdannelse, hvilket fører til en stærk spontan fordampning af det resulterende flydende brint. Omdannelse til parahydrogenfasen sker normalt ved hjælp af katalysatorer såsom jernoxid , chromoxid , aktivt kul , platinbelagt asbest , sjældne jordarters metaller eller ved at bruge uran- eller nikkeladditiver [ 7] .
Flydende brint kan bruges som en form for brændstoflagring til forbrændingsmotorer og brændselsceller . Forskellige brinttransportprojekter er blevet skabt ved hjælp af denne aggregerede form for brint (se f.eks. DeepC eller BMW H2R ). På grund af nærhed af design, kan skaberne af flydende brint-teknologi bruge eller kun ændre systemer ved hjælp af flydende naturgas (LNG). Men på grund af den lavere volumetriske energitæthed kræver forbrænding en større mængde brint end naturgas . Hvis flydende brint bruges i stedet for CNG i stempelmotorer, kræves normalt et mere omfangsrigt brændstofsystem. Med direkte indsprøjtning reducerer øgede tab i indsugningskanalen fyldningen af cylindrene.
Flydende brint bruges også til at afkøle neutroner i neutronspredningsforsøg. Masserne af en neutron og en brintkerne er næsten lige store, så energiudvekslingen under en elastisk kollision er den mest effektive.
Fordelen ved at bruge brint er "nul emission" af dets anvendelse. Produktet af dets interaktion med ilt i luften er vand , men i virkeligheden - som i tilfældet med konventionelle fossile energibærere - på grund af tilstedeværelsen af nitrogenmolekyler i luften , dannes der også en lille mængde oxider af denne gas under dens forbrænding. Som brændstof til køretøjer, der kører i det fri, samler brint sig ikke på plads i tilfælde af ulykker og utætheder, men går op i atmosfæren, hvilket reducerer brandfaren.
En liter flydende brint vejer kun 0,07 kg . Det vil sige, dens vægtfylde er 70,99 g / l ved 20 K. Flydende brint kræver kryogen lagringsteknologi såsom specielle termisk isolerede tanke og kræver særlig håndtering, som er fælles for alle kryogene materialer. Den er i denne henseende tæt på flydende ilt , men kræver mere pleje på grund af brandfaren. Selv i tilfælde af termisk isolerede beholdere er det vanskeligt at holde det ved den lave temperatur, der kræves for at holde det flydende (det fordamper typisk med en hastighed på 1 % pr. dag [8] ). Det skal også håndteres med de sædvanlige sikkerhedsforanstaltninger for brint (" Brintsikkerhed ") - det er koldt nok til at flydende luft, som er eksplosiv. Flydende brint ved atmosfærisk tryk har et meget snævert temperaturstabilitetsområde - kun 7 grader Celsius, hvilket skaber visse vanskeligheder under opbevaring.
Flydende brint er en almindelig komponent i raketbrændstof , som bruges til at jetfremdrive løfteraketter og rumfartøjer . I de fleste raketmotorer med flydende drivmiddel bruges brint først til regenerativ afkøling af dysen og andre dele af motoren, før den blandes med et oxidationsmiddel og brændes for at producere tryk . Moderne H 2 /O 2 -drevne motorer i brug forbruger en brintrig brændstofblanding, hvilket resulterer i noget uforbrændt brint i udstødningen. Ud over at øge motorens specifikke impuls ved at reducere molekylvægten , reducerer dette også erosionen af dysen og forbrændingskammeret .
Sådanne hindringer for brugen af LH i andre områder, såsom kryogen natur og lav tæthed, er også afskrækkende at bruge i dette tilfælde. Fra 2009 er der kun én løfteraket (" Delta-4 "), som udelukkende er en brintraket. Grundlæggende bruges LH enten på de øverste stadier af raketter eller på øvre stadier, som udfører en væsentlig del af arbejdet med at sende nyttelasten ud i rummet i et vakuum. Som et af tiltagene til at øge tætheden af denne type brændstof er der forslag til brug af slamlignende brint, det vil sige en halvfrossen form af LH.
Dataene er givet på grundlag af .formål.Eng(dataindsamlingsprojekttermodynamiskeJANAFaframmerneforindenUSAitabeller offentliggjort9][ Oprindeligt blev beregningerne lavet af Rocketdyne . [10] Samtidig blev det antaget, at der finder adiabatisk forbrænding sted, isentropisk ekspansion i én retning, og der sker et skift i ligevægtstilstanden. Ud over muligheden for at bruge brint som brændstof, gives der muligheder for at bruge brint som arbejdsvæske , hvilket forklares med dets lave molekylvægt . Alle data er baseret på et forbrændingskammertryk (“ CC ”) på 68,05 atmosfærer . Den sidste linje i tabellen indeholder data for gasformig brint og oxygen .
| Optimal udvidelse fra 68,05 atm til betingelser: | Jordens overflade (1 atm ) | vakuum (0 atm , dyseudvidelse 40:1) | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Oxidationsmiddel | Brændstof | Kommentar | V e | r | T c | d | C* | V e | r | T c | d | C* |
| wO 2 | H2 _ | almindelige | 3816 | 4.13 | 2740 | 0,29 | 2416 | 4462 | 4,83 | 2978 | 0,32 | 2386 |
| H 2 - Vær 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 | |||||||
| AF 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 | |
| Følgende notationer er brugt i tabellen: | r | [-] | - masseforholdet mellem " oxidationsmiddel/brændstof "-blandingen; |
| V e | [ m / sek ] | er den gennemsnitlige hastighed af udstrømningen af gasser; | |
| C* | [ m / sek ] | er den karakteristiske hastighed ; | |
| T c | [ °C ] | — temperatur i kompressorstationen ; | |
| d | [ g / cm³ ] _ | — gennemsnitlig massefylde af brændstof og oxidationsmiddel; |
mens " Ve " er den samme enhed som den specifikke impuls , men reduceret til hastighedsdimensionen [ N * sek / kg ], og " C* " beregnes ved at gange trykket i forbrændingskammeret med ekspansionskoefficienten af dyseareal og derefter dividere med masseforbrug af brændstof og oxidationsmiddel, hvilket giver en stigning i hastigheden pr. masseenhed.
Flydende brint er ret farligt for mennesker. Kontakt med huden kan forårsage forfrysninger, og indånding af dampe kan føre til lungeødem.