극저온 연료

Cryogenic fuel

극저온 연료는 액체 상태로 유지하기 위해 극저온에서 저장해야 하는 연료다. 이러한 연료는 우주에서 자주 접하는 매우 낮은 기온으로 인해 일반 연료를 사용할 수 없는 우주(예: 로켓과 위성)에서 작동하는 기계(지구상에는 산소가 풍부하지만 인간-해상 공간은 산소 i가 있는 진공)에서 사용된다.사실상 존재하지 않는다. 극저온 연료는 액체 수소 같은 액화 가스를 구성하는 경우가 대부분이다.

일부 로켓 엔진은 연료가 연소실로 펌핑되어 점화되기 전에 극저온 연료를 노즐 주위에 순환시키는 관행인 재생 냉각을 사용한다. 이 배열은 1940년대에 유겐 생거에 의해 처음 제안되었다. 달에 첫 유인 임무를 보낸 토성 V 로켓의 모든 엔진은 이 설계 요소를 사용했는데, 이 설계 요소는 오늘날까지도 액체 연료 엔진에 사용되고 있다.

액화산소는 실제로 산화제고 연료는 아니지만 종종 극저온 연료로 잘못 불린다.[citation needed] 연료는 열 에너지로 에너지를 방출하거나 작업용으로 사용할 수 있도록 다른 물질과 반응하도록 만들 수 있는 모든 물질이다. 산소는 이 정의를 충족하지만, 편재성 때문에 (대부분의 용도에 대해서는) 운반할 필요가 없기 때문에, 산소는 여전히 산화제라고 불린다.

러시아의 항공기 제조업체 투폴레프는 인기 있는 Tu-154 설계 버전을 개발했지만 극저온 연료 시스템을 갖추고 Tu-155를 지정했다. 액화천연가스(LNG)라고 불리는 연료를 사용하면서, 그것의 첫 비행은 1989년에 있었다.

작전

극저온 연료는 불활성 연료와 인화성 연료 또는 가연성의 두 가지 범주로 구분할 수 있다. 두 유형 모두 액체가 가스 단계로 전환될 때 발생하는 큰 액체와 가스 부피 비율을 이용한다. 극저온 연료의 실현 가능성은 높은 질량 유량이라고 알려진 것과 관련이 있다.[1] 규제와 함께 극저온 연료의 고밀도 에너지는 로켓의 추진력과 제어 가능한 연료 소비를 생산하는데 이용된다. 다음 절에서는 자세한 내용을 제공한다.

불활성

이러한 유형의 연료는 일반적으로 가스 생산과 엔진의 피스톤으로의 흐름의 조절을 사용한다. 큰 압력 상승은 제어되고 엔진 피스톤으로 향한다. 피스톤은 가스 연료의 모니터링된 생산에서 변환된 기계적 힘에 의해 움직인다. 피터 디어만의 액체 공기 차량에서 주목할 만한 예를 볼 수 있다. 일반적인 불활성 연료에는 다음이 포함된다.

가연성

이러한 연료는 물질의 인화성 특성과 함께 유익한 액체 극저온 성질을 동력원으로 활용한다. 이런 종류의 연료는 주로 로켓에 사용하는 것으로 잘 알려져 있다. 일반적인 가연성 연료에는 다음이 포함된다.

엔진 연소

가연성 극저온 연료는 대부분의 불활성 연료보다 훨씬 더 많은 효용성을 제공한다. 액화천연가스는 다른 연료와 마찬가지로 적정량의 공기와 적절히 섞일 때만 연소한다. LNG의 경우 효율의 대부분이 옥탄수에 해당하는 가스인 메탄수에 의존한다.[2] 이것은 액화 연료와 다른 용존 가스의 메탄 함량에 기초하여 결정되며, 실험 효율성에 따라 달라진다.[2] 연소 엔진의 효율을 극대화하는 것은 적절한 연료 대 공기 비율을 결정하고 최적 연소를 추가하기 위해 다른 탄화수소를 추가한 결과일 것이다.

생산효율

가스 액화 과정은 더 나은 기계의 출현과 시스템 열 손실의 제어로 지난 수십 년 동안 개선되어 왔다. 일반적인 기법은 기체의 제어된 압력이 방출될 때 극적으로 냉각되는 기체의 온도를 이용한다. Joule-Thomson 효과에서 예시된 바와 같이 충분한 가압과 이후 감압은 대부분의 가스를 액화시킬 수 있다.[3]

액화천연가스

천연가스를 저장, 운반, 사용하기 위해 액화시키는 것이 비용 효율적이지만, 그 과정에서 약 10-15%의 가스가 소비된다.[4] 최적 공정은 프로판 냉동 4단계와 에틸렌 냉동 2단계다. 냉매 단계 추가가 있을 수 있지만, 장비 추가 비용은 경제적으로 정당화되지 않는다.[citation needed] 효율은 냉매 응축과 관련된 전반적인 싱크 온도 차이를 최소화하는 순수한 구성 요소 계단식 공정에 연계될 수 있다. 최적화된 공정은 순냉매의 사용과 함께 최적화된 열회수를 통합한다. 검증된 기술을 사용하는 액화 공장의 모든 공정 설계자는 동일한 도전에 직면한다. 즉, 혼합물을 효율적으로 냉각하고 순수한 냉매로 응축하는 것이다. 최적화된 캐스케이드 공정에서 냉각 및 응축되는 혼합물은 공급 가스다. 프로판 혼합 냉매 프로세스에서 냉각과 응축이 필요한 두 혼합물은 공급 가스와 혼합 냉매이다. 비효율성의 주요 원천은 액화 과정 중의 열교환 열차에 있다.[5]

장단점

혜택들

  • 극저온 연료는 가솔린이나 화석 연료보다 환경적으로 깨끗하다. 무엇보다도, 온실 가스 요금은 물품 수송 시 가솔린과 반대로 LNG를 사용하여 11-20%까지 감소할 수 있다.[6]
  • 친환경성과 함께 화석연료에 비해 풍부하기 때문에 내륙산 제품의 운송비를 크게 줄일 수 있는 잠재력을 갖고 있다.[6]
  • 극저온 연료는 화석 연료보다 질량 유량이 높기 때문에 엔진에서 사용하기 위해 연소할 때 더 많은 추진력과 동력을 생산한다. 이것은 엔진이 현대적인 가스 엔진보다 전반적으로 연료가 적게 소모될 것이라는 것을 의미한다.[7]
  • 극저온 연료는 비폴루턴트여서 유출될 경우 환경에 위험하지 않다. 유출된 유해 폐기물을 치울 필요가 없을 것이다.[8]

잠재적 단점

  • LNG와 같은 극저온 연료는 자연적으로 가연성이 있다. 연료 유출의 발화는 큰 폭발을 초래할 수 있다. LNG 엔진과 차량 충돌 시 가능한 일이다.[8]
  • 극저온 저장 탱크는 반드시 고압에 견딜 수 있어야 한다. 고압 추진제 탱크는 벽이 두껍고 합금이 강해야 차량 탱크가 무거워져 성능이 떨어진다.
  • 독성이 없는 경향에도 불구하고 극저온 연료는 공기보다 밀도가 높다. 그런 만큼 질식사로 이어질 수 있다. 누출되면 액체가 매우 조밀하고 차가운 가스로 끓고 흡입하면 치명적일 수 있다.[9]

참고 항목

참조

  1. ^ Biblarz, Oscar; Sutton, George H. (2009). Rocket Propulsion Elements. New York: Wiley. p. 597. ISBN 978-0-470-08024-5.
  2. ^ a b Øyvind Buhaug (2011-09-21). "Combustion characteristics of LNG" (PDF). LNG Fuel Forum. Archived (PDF) from the original on 2012-12-22. Retrieved 2015-12-09.
  3. ^ Oil and Gas Journal (2002-08-09). "LNG liquefaction technologies move toward greater efficiencies, lower emissions". Archived from the original on 2016-06-30. Retrieved 2015-12-09.
  4. ^ Bill White (2012-10-02). "All you need to know about LNG". THe Oil Drum. Archived from the original on 2019-08-29. Retrieved 2015-12-09.
  5. ^ Weldon Ransbarger (2007). "A Fresh look at LNG Process Efficiency" (PDF). LNG Industry. Archived from the original (PDF) on 2016-06-24. Retrieved 2015-12-09.
  6. ^ a b "What are the Benefits of LNG". 2015. Archived from the original on 2017-12-04. Retrieved 2015-12-02.
  7. ^ Ramachandran, R. (2014-02-07). "Cryogenic advantage". Frontline. Archived from the original on 2014-03-29. Retrieved 2015-12-02.
  8. ^ a b Cryogenic Fuels, Inc. (1991-12-16). "Liquid Methane Fuel Characterization and Safety Assessment Report" (PDF). Metropolitan Transit Authority. Archived from the original (PDF) on 2018-10-09. Retrieved 2015-12-02.
  9. ^ Asogekar, Nikhil. (2015-12-02). "Cryogenic Liquids-Hazards". CCOHS. Archived from the original on 2019-09-25. Retrieved 2015-12-02.