題:
氫氣可以用作燃氣輪機的替代燃料嗎?
cat
2019-02-02 12:55:13 UTC
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我想研究商用飛機的替代燃料來源,以降低飛行成本。

會在燃燒室中點燃氫氣並產生足夠的推力來為飛機提供動力飛行?至於人們以前所說的將氣體儲存在高壓儲氣罐中的問題,是否可以通過用氫氣發生器代替儲氣罐代替重量更大的整個笨重儲氣罐來減輕飛機重量的增加?

通過使用將水轉化為氫氣的發電機,我們可以僅使用水作為成本效益更高的主要燃料源?

在純氫氣火焰中燃燒在空氣中,氫(H 2 sub>)與氧氣(O 2 sub>)反應形成水(H 2 sub> O)並釋放能量。如果通常在大氣中而不是純氧氣中進行氫氣燃燒,則氫氣燃燒會產生少量的氮氧化物以及水蒸氣。

您分解H2O的能量仍然必須來自某個地方。因此,您仍然必須存儲一些可以為您提供能量的東西。然後是一個問題,是否將存儲的能量轉換成對水分解有用的形式是該能量的最有效利用,還是可以以另一種更有效的方式將其轉換為推力,而不是使用它來生成你要燃燒的氫氣。通常,您所描述的過程的效率大大低於其他可能性。
@Makyen +1這也被稱為“免費午餐”或“熱力學第二原理”。
“ *通過使用將水轉化為氫氣的發電機*”:與[水是否可以用作噴氣發動機的燃料?](https://aviation.stackexchange.com/q/43891/3201)。另一個問題的得分為-4,您的得分為+5,這很有趣。燃燒一公斤燃料可產生42兆焦耳。要用水做同樣的事情,您需要3.5千克水,但還需要42兆焦耳以上的能量才能提取其中所含的350克氫並將其燃燒([來源](https://aviation.stackexchange.com/a/ 43893/3201)。這不是一件好事(既不節省質量也不節省能源)。
如果您“想對商用飛機的替代燃料來源進行研究,以降低飛行成本”,我強烈建議您參加一到兩門大學的熱力學課程。沒有人能擊敗《熱力學第二定律》。
如果您有一個魔術發生器,可以將水免費轉換為氫,那麼為什麼不一直使用並使用一種吸收水和二氧化碳(來自大氣層)並方便地將其隱蔽起來以噴射燃料的發電機呢?
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@Flydog57:“ *沒有人擊敗過熱力學第二定律*”並不意味著我們沒有看似的[反實驗](http://exvacuo.free.fr/div/Sciences/Dossiers/Thermo/Challenges我們尚無法解釋%20to%20The%20Second%20Law%20of%20Thermodynamics.pdf)。
我一直想到這樣的三個定律:你贏不了。你不能收支平衡。你不能離開遊戲!
@CrossRoads,,您要列出“地獄撲克法則”。 (該書的第27頁,在您前面的評論中鏈接)。或者,有人說“沒有完美的冰箱”或“情況趨於惡化”(同上)。正如作者所指出的那樣,熱力學第二定律至少有21種(一系列)或多或少兼容,並且還在不斷增加。
@mins欺詐,實驗錯誤,實驗人員錯過了外部能量輸入。那3個人解釋了那裡的每一個“永動機”和“自由能”機制。
@jwenting:我不會這麼肯定。我知道外行人永恆的運動故事之類的東西是先天荒謬的。但是物理學仍然是一個非常不為人所理解的領域(例如,目前對5%或10%的理論令人滿意),以至於科學家不得不發明“ [暗物質](https://en.wikipedia.org/wiki/Dark_matter) “從很多角度來看,這都像外行人的永動機一樣令人驚訝(宇宙中85%的物體是由至今未知的東西構成的,我們目前無法與之互動,但必須解釋星系的紅移和牛頓的自由落體)。
@mins擁有物理學學位,我對熱力學定律的有效性比您更有信心。對於暗物質,它實際上是尚未理解的事物的佔位符,並且眾所周知,僅此而已。
@jwenting:如果您還記得,愛因斯坦(Einstein)強烈反對(更不用說)哥本哈根思想,例如波粒對偶或不確定性,他錯了,而布爾(Bohr)和海森堡(Heisenberg)是正確的。
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十 答案:
Peter Kämpf
2019-02-02 17:50:57 UTC
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是的,它已經在30年前在 Tupolev 15 5 上進行了演示。這是俄羅斯Tu-154B三噴氣機的氫動力版本。在5次實驗飛行中演示了液態氫的使用後,僅建造了一輛,並已將其淘汰。 Tu-155總共使用幾種燃料進行了100次飛行,其中包括氫氣和液化天然氣。

Tu-155 (top), cut-out (center) and layout (bottom)

Tu-155(頂部),開孔(中心)和佈局(底部)。資料來源: https://www.aviaru.net/pr/?id=11633 sub>

對於噴氣發動機,氫實際上更好:在正常情況下它是氣態的溫度,因此蒸發步驟不會像液體燃料發生延遲那樣在混合和燃燒開始之前發生。而且,氫氣與氧氣的混合比燃燒範圍很廣,因此熄滅的可能性大大降低,從而可以使更小的燃燒室

當然,不利的一面是,是儲存和氫的小分子大小。它很難遏制,並且需要大量存儲一定量的化學能。 200 bar的加壓存儲容量僅為18 kg /m³,比煤油低45倍。氫氣為142 MJ / kg時,其化學能是煤油的三倍,但煤油的體積效率仍高出13.3倍。

低溫存儲在低溫下交換壓力:低於33 K高於13 bar,氫氣變成液體,存儲密度增加到30 kg /m³。儘管如此,低溫儲氫所需的能量是與煤油相同的能量的4倍,再加上隔離和冷卻和壓縮所需的能量。

他們之所以使用Tu154,是因為引擎在船尾,重心非常在後。他們需要將氫氣罐放置在重心處(因此燃料燃燒不會影響配平)。由於Tu154 CG的船尾如此遙遠,因此它只允許一個機艙空間,而不是坦克的前後兩個半艙室,這將是一個很大的麻煩。
在離開壓縮機的空氣溫度下,煤油的蒸發完全沒有問題。液體燃料的問題是“霧化”。也就是說,得到細小液滴的精細噴霧。當燃油噴嘴髒污並有沉積物時,噴霧形式可能會惡化。
@Harper:對,較小的型號(例如Tu-134)的容積效率較低,因此較大的型號提供更好的選擇。 Il-62也會起作用。
@Penguin:感謝您找到更好的單詞;我所關心的不是取暖本身,而是它造成的時間延遲。當在高壓油槽中通過許多細噴嘴噴射燃料時,液滴的尺寸已經很小,但是直到所有的液滴都被蒸發,混合物才在燃燒室內向下游移動一段距離。氣態燃料也被霧化。
關於*“低溫儲氫需要的能量是與煤油相同的能量的8倍” *:您是如何達到8倍的? [噴氣燃料的能量密度是液態氫的3.7倍](https://en.wikipedia.org/wiki/Energy_density#Energy_densities_of_common_energy_storage_materials)(37 MJ / l vs. 10 MJ / l)
切面圖很小(沒有投訴,可能是唯一的投訴),但似乎大部分機艙都被機器和存儲設備佔用了,只剩下很少的貨物空間-自裝載或以其他方式裝載。因此,在為飛機提供動力的同時,效率可能會提高,但除了為飛行員增加工作時間外,從另一個地方飛行變得毫無意義。很好,但是對於任何類型的商業運營商來說都不會引起太大的興趣。
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@PeterKämpf-點得很好。然而,那個大的藍色坦克仍然佔據了很多收益空間,而機翼內部的空間卻基本上沒有用。
@FreeMan:無法同意更多。我仍然認為民航業的未來是使用太陽能將二氧化碳[氫化](氫化)製成的合成燃料。就像植物一樣。如果只有這個世界的沙漠在政治上更加穩定……
@PeterKämpf嗯...儘管最近發出了很多聲音,但美國西南部並沒有那麼糟糕,據我所知,澳大利亞中部的很大一部分地區除了開車說你做到了以外,還沒有什麼好處。 :)
@PeterKämpf您知道Tu-156發生了什麼嗎?是僅由於蘇聯解體而停止了生產,還是由於其他原因或限製而實際上無法進行生產?
@cat:我沒有內幕消息。我認為主要原因是蘇聯解體,當時所有俄羅斯(和烏克蘭)飛機設計局都進入了黑暗時期。但是,儘管[某些設計](https://en.wikipedia.org/wiki/Sukhoi_Su-27)足以抵禦這種風暴,但Tu-156沒有任何商業承諾,也無法獲得任何私人資金。在某種程度上,那將是另一個限制。
@cat這根本不經濟。射程減小,機艙空間減小,現在您必須在機場和其他地方擁有用於低溫燃料的主要存儲設施。而且,由於您需要以低溫形式將其運輸到機場,因此最好將其運送到那裡,這意味著每個機場都設有製造工廠,利用電力,空氣和天然氣作為輸入原料並產生氫氣和二氧化碳(是的,這就是散裝氫氣的方式,而水的電解效率太低)。
Hobbes
2019-02-02 20:08:23 UTC
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使用水作為載體,並在船上將其分解為氫和氧是不會發生的事情。 電解消耗大量電能,因此您不僅需要攜帶水,還需要攜帶水和(大而笨重的)電池。如果使用電池,最好只使用電動機來驅動渦輪,這比電解裝置要輕。

儲氫與電池存在同樣的問題:與噴氣燃料相比,電池每千克儲能少得多,氫每m 3 sup>儲能少得多。

氫氣也需要重型高壓儲罐。

更好的選擇是將氫和一氧化碳在地面上轉化為液體燃料(使用 Fischer-Tropsch工藝),然後在發動機中燃燒。

回复:*“氫存儲與電池存在相同的問題:兩者的每千克存儲的能量都比航空燃料少得多。*不,那是不正確的。每千克[氫具有3.3倍的能量](https://en.wikipedia .org / wiki / Energy_density#Energy_densities_of_common_energy_storage_materials)(氫氣為142 MJ / kg,噴氣燃料為43 MJ / kg)(每卷的說法不同,分別為10 MJ / l和37 MJ / l)。
是的,我的意思是氫氣的每體積。
如您所說,@Hobbes _“最好只使用電動機驅動渦輪機。” _實際上是否有足夠強大的電動機來產生轉動重型渦輪機所需的扭矩和速度?不想听起來刻薄或諷刺,我只是對您的發言感到很好奇,並真正想知道這種動力是否存在。謝謝你的回答順便說一句
電動機可產生[最高10 kW / kg](https://en.wikipedia.org/wiki/Power-to-weight_ratio#Electric_motors/Electromotive_generators),因此3.5噸可產生35 MW(在什麼範圍內)您需要一架大型客機)。您必須為此增加一個風扇,整流罩等,但是(這讓我感到驚訝)10 kW / kg與現代渦輪風扇一樣好。
Meatball Princess
2019-02-02 16:13:32 UTC
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氫氣在火箭上可以正常工作。但是,在火箭上“很好”並不意味著它在飛機上是可行的。

唯一可以利用 $ \ mathrm {H}的方法_2 $ span>正在低溫地存儲它。。這是因為 $ \ mathrm {H} _2 $ span>在 $-240 \,{} ^ \ circ \ mathrm {C} $ span>,無論您在此溫度下用力擠壓多少,它都會拒絕液化並因此保留低密度流體。當然,您可以將其存儲為超臨界流體,但這將需要非常重的壓力容器。

如果您同意必須低溫保存 $ \ mathrm {H} _2 $ span>,那麼請看看 this。您認為將所有這些硬件攜帶在飛機上並且仍然具有可用的有效載荷的可能性如何?

您的麻煩不止於此。要燃燒 $ \ mathrm {H} _2 $ span>作為燃料,必須將其移出油箱並移入發動機。為此,您必須使用某種泵,並且泵必須具有一些活動部件,這些部件浸入了應該泵送的液體中。而這裡會帶來麻煩:您正在泵抽沸騰的液體 $-240 \,{} ^ \ circ \ mathrm {C} $ span> ,甚至最小的表面缺陷,最細的毛刺,最細的加工標記,最細的凹槽和浸沒式移動泵表面上的波谷會產生微小的表面渦旋,這些渦旋會加熱零件表面附近的液體 $ \ mathrm {H} _2 $ span>沸騰,形成氣泡,每秒會成千上萬次合併,分裂和瓦解,這些事件發出的微小壓力脈衝會影響泵已經很冷,易碎的運動部件,幾乎立即將其削裂,並在削裂後損壞的泵將攪動整個液體 $ \ mathrm {H} _2 $ span>劇烈沸騰並自行吹散。

液體 $ \ mathrm {H} _2 $ span>是最困難的極易處理的燃料,甚至在可能的情況下,甚至火箭也會將其引導離開。在僅持續幾百秒的東西上使用它是一回事,在持續數万小時的東西上使用它是另一回事。

編輯:我差點忘了。氫的分子很小,它們像瘋子一樣擴散,甚至在“固態”物體內也像鋼,鈦,銅和鋁一樣裸露在眼睛裡。因此,所有金屬零件都會不可避免地使用氫浸漬並與氫形成氫化物,從而導致強度降低。整個燃油系統真是太好了!整個飛機將是一枚真正的滴答定時炸彈。

如果LH2是一個問題,那麼為什麼不讓它沸騰然後以汽油的形式運往發動機呢?
@StephenS是一個有趣的想法,因為相變伴隨著壓力的上升,您不需要泵。然而,隨之而來的所有問題仍然很冷。
@meatball-princess還有另一種選擇。您可以使用來自其他原子的靜電力將氫鍵合在鏈中。其中的一類效果很好:_hydrocarbons_。但是我足以成為一個聰明的人-感謝提供的信息,這真是令人著迷!
@StephenS不好的主意–氣態氫在金屬中的擴散非常快。控制氫氣的唯一方法是冷卻液體。那是*唯一*的方式。並記住,即使那樣,它幾乎沒有粘性,桶中有一個針孔,整個LH2桶將在不到一分鐘的時間內消失!
僅供參考氫汽車使用氣態氫
@Antzi是的。它們也只是汽車,對動力,扭矩以及燃料和空氣質量流量的需求很小。它們負擔沉重且效率低下。氫寶馬7系的低溫氫燃料將在2週內“消失”! “開車就像開車,像*航天飛機*一樣穿過錢包。”,那是我的口號。所有氫氣車的氫氣管線都需要特別注意並經常檢查。
@MeatballPrincess汽車每週或每兩週加油一次。一架客機在每次飛行前都會加油,因此只需要將燃油保持幾個小時*。
@MeatballPrincess對於頻繁的檢查和擴散損失,事實並非如此。長期高壓氣態氫存儲效果很好。市場上當前的燃料電池汽車不需要經常檢查生產線。
我認為飛機能夠攜帶“所有硬件”的機率接近100%。飛機的其餘部分是硬件,您知道,引擎是硬件,煤油系統是硬件,飛行控制系統是硬件,您為什麼認為飛機不能攜帶很多硬件?
我也不認為您知道“文字”的含義。
@rsjaffe是的,氫燃料電池很好。但是我們談論的是“飛機” *每秒需要約3磅的氫氣*。
@immibis我很確定一個字面上的滴答定時炸彈是一個字面上的滴答定時炸彈。字面上的滴答定時炸彈是一種裝置,經過一段時間後,碰巧就在附近的窮人不為人知,它炸毀並殺死所有人。
最後一點似乎無關緊要。那麼,您不能使用某些金屬嗎?然後使用複合材料。每秒需要大量氫氣? _好_。洩漏僅隨管道的半徑而增加,而流量隨半徑的平方而增加。
@MeatballPrincess是否按固定間隔發出滴答聲?
@MSalters LH2洩漏是最嚴重的噩夢,尤其是在密閉空間中。飛機的機械艙。空氣中的H2 *可燃性從4%到75%*,*爆炸性從18%到60%*,氫火焰在可見光譜中是暗的,但是非常熱,氫是無味的,氫是最輕的氣體,因此瘋狂的擴散速度很快就與周圍的空氣形成了完美的爆炸性混合物,LH2的粘度幾乎為零,因此即使最細小的裂縫也無法從中隱藏,LH2的溫度低於240攝氏度,因此您的複合材料有可能被冷凍成餅乾狀物質。
@MSalters氫火焰完全無菸且無菸,因此無需用於菸霧探測器,LH2的密度非常低,因此LH2儲罐非常笨重,並且儲罐面積更大=洩漏的機會更大,LH2儲罐必須允許LH2不斷沸騰,這與火箭不同只會加速縱向飛機的滾動,因此LH2晃蕩是以前從未遇到和解決的問題。深低溫燃料是您要生存的最後一件事。一個小錯誤,那麼您有一個飛機的“挑戰者”。
Therac
2019-02-02 15:14:26 UTC
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氫氣可以很好地用作渦輪機燃料,並且可以在太空中發射渦輪泵。當然,要實現氫的充分效率,功率和發動機壽命,需要對現有的發動機進行調整。

在環境方面,H2的燃燒溫度通常比碳氫化合物高,後者會產生更多的N2O,但會燃燒溫度可以調節,並且必須與渦輪機的壽命規格相匹配。

存儲是問題所在。所有基於在室溫液體/固體中存儲氫的發生器都存在一個問題,即淨皮重比比液態氫罐差得多。 LH2會增加製冷劑的成本和維護成本,但仍達不到碳氫化合物的能量密度。

通過從水中提取H2不能獲得淨能量,因為它消耗了H2在燃燒中產生的所有相同能量,再加上損失。能量無法創造,只能轉化。為了產生熱量來驅動發動機,必須在其他地方損失能量。在這種情況下,將兩種化學物質結合在一起會丟失,它們會以分離狀態存儲勢能(可燃性)。

如果您在船上使用了其他能源(實際上是能量轉換器),例如核,您可以使用其輸出來推動飛機而無需燃燒。

Re *“仍低於碳氫化合物能量密度” *:在體積上是,但在質量上不是(儘管在技術上是比能)。氫氣為142 MJ / kg,而噴氣燃料為43 MJ / kg(是,是3.3倍)。每體積分別為10 MJ / l和37 MJ / l。
@PeterMortensen是的,我正在解決體積密度問題。至於重量分析,您必須將整個系統與存儲,絕緣和機身額外體積進行比較,以獲得實際的效果估計。
Harper - Reinstate Monica
2019-02-03 13:14:27 UTC
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您的計劃是不存儲氫,而是生成氫。

問題是,生成氫的飛行比存儲氫更加尷尬。與氫結合使用的化學成分比氫本身重得多(這不足為奇,因為氫是迄今為止最輕的原子)...而且比得到相同的分子還要重且更昂貴從石油燃料中獲取能量。

此外,回到地面後,您將需要花費能量來創建化學成分(“給它們充電”)所需的電能或熱量,這將需要燃燒其他燃油,由於效率的原因,燃油的效率遠遠超過了飛機所能利用的燃油。軌道系統。倫敦市中心到巴黎市中心都非常擁護鐵路,我簡直不敢相信有任何航班。高速鐵路的電源直接來自電力,從而有效地利用了綠色能源,例如風能或太陽能。

或者,找到清潔合成碳氫化合物的方法,而不是將其挖掘出來。
我們可以在[Fisher-Tropsch過程](https://en.wikipedia.org/wiki/Fischer%E2%80%93Tropsch_process)中從氫氣和二氧化碳中產生噴氣燃料。但是,它的效率很低。在世界上絕大部分電能由可再生能源或核能生產之前,不太可能將人工生產的碳氫化合物用於噴氣燃料
實際上,@CSM:碳是一氧化碳。但是我同意這個前提。生物燃料更容易製造,並且植物非常擅長將二氧化碳轉化為碳氫化合物。
Robert DiGiovanni
2019-02-03 22:55:13 UTC
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事實證明,壓縮氫對於儲存量不是大問題的固定結構非常有用。卡車或飛機等運輸工具更傾向於較高的能量密度或液體燃料。與碳氫化合物相比,火箭技術的外來應用傾向於每克氫具有更高的比衝(每單位重量有更多的鍵被氧化)。

令人驚奇的是,將水轉化為氫氣可以使水作為可轉換氣體更容易地長距離運輸,而不是耗能的抽水和/或建築運河。一條5 psi的氫氣管道將穿越任何山脈,並且在目的地將為燃燒/發電提供燃料,並為每燃燒一磅氫氣提供一加侖水。

低沸點可能會限制其在大規模運輸中的應用。液態天然氣可能是更好的選擇。

“液態天然氣可能是更好的選擇。” -噴氣發動機核心已經在天然氣上運行,而沒有進行重大修改,用於天然氣管道泵送。而且,他們在阿拉斯加(Alaska)等冬天無法進入的地方,連續幾個月愉快地連續運行且無需維護。
是的,但是這樣的管道是否有能力容納所需數量的(等效)水? (水是乾什麼的?自來水?灌溉?百事可樂?)
我的應用程序是美國西南航空。水將用於灌溉和家庭使用。
將水轉化為氫似乎是魯伯·戈德堡式的方法。轉換效率約為50%,為了使轉換效率更高,泵浦損耗將必須巨大。
@Hobbes是的,但是比電網需求低時讓風車閒置更好。它是能量存儲的一種形式,使電力公司能夠針對峰值負載(更多的風車)而不是平均負載進行設計。 H2直接進入管道。在西南部,任何水都是珍貴的。
是的,當然。但是,您仍然必須處理管道的氫脆。
我想我們必須去做班輪。我將與nat gas夥伴核對一下,看看他們在做什麼。
David Richerby
2019-02-04 21:29:07 UTC
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通過使用將水轉化為氫氣的發電機,我們可以僅使用水作為更具成本效益的主要燃料來源?

NO!

以100%的效率將水分解為氫氣和氧氣,所消耗的能量與您以100%的效率在氧氣中燃燒氫氣所獲得的能量一樣多。您從哪裡得到所有能量來分解水?如果您只是直接使用該能源來推動飛機,而又不浪費時間將水轉化為氫和氧再轉化為水,那麼您的飛機將會更輕。

實際上,您沒有100 %的效率,因此水-氫-氧-水設備不僅是自重的,而且是重量,它正在消耗著您的部分動力。

Tony Cooke
2019-02-03 18:10:57 UTC
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Google“ cryoplane最終報告”或僅是cryoplane以獲得完整答案。使用低溫氫的噴氣機襯管是可行的,但除非氫變得非常便宜,否則它不會便宜。這樣做可能是因為風能和太陽能等可再生能源在發電量超過需求時間時可以通過電解產生氫。

Urquiola
2019-02-09 00:44:16 UTC
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我猜想第一架使用渦輪機的飛機是Heinkel-178,使用的是Hans Joachim Pabst von Ohain的渦輪機,專利US2256198,發明人說M Hahn曾用噴氣機作為燃料對氫進行了測試,而氫問題可能是存儲空間。 www.SAE.org包含有關氫氣作為汽車燃料的文件,無需成為會員即可購買。

Jason Switkes
2019-05-06 21:37:18 UTC
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我在想同樣的事情。這是我的主意。飛行前,使用電解從水中獲取大量氫。然後將氫氣壓縮到一個較小的容器中,因為它是一種氣體,因此您可以這樣做。將其用作發動機的燃料而不是水,並使用空氣中的氧氣與氫氣結合。

因此,您的發動機將吸入空氣,將其與氫氣結合,使用一點點電就可以用火花或類似的東西點燃它,然後將其射出引擎的後部。

我也從來沒有對噴氣發動機做過任何事情,所以我不知道這是否可行。 / p>

實際上已經嘗試過了,請參閱PeterKämpf的答案。
您對噴氣發動機的描述聽起來更像是火箭發動機。還有霍布斯的話。


該問答將自動從英語翻譯而來。原始內容可在stackexchange上找到,我們感謝它分發的cc by-sa 4.0許可。
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