Domanda:
Qualcuno ha bruciato l'idrogeno in una turbina?
Skyhawg
2020-01-21 23:38:09 UTC
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Mi chiedevo solo se fornire idrogeno compresso a una turbina sarebbe un combustibile migliore in quanto ha tre volte il numero di ottani del cherosene. Sembra solo meglio tutto intorno.

Correlati: [Esistono programmi per costruire un aeroplano alimentato a idrogeno?] (// aviation.stackexchange.com/q/18809)
"Sembra solo meglio tutto intorno." Penso che i serbatoi pressurizzati per contenere abbastanza idrogeno sarebbero davvero un fattore per non usarlo.
Molti motori aeronautici hanno varianti commerciali e talvolta saranno configurati per funzionare su qualsiasi cosa sia conveniente. GE produce una versione del CF-34 che funziona a gas naturale ed è ampiamente utilizzata come pompa per condotte.
Il numero di ottani è anche un fattore nelle turbine? Non credo, perché è una misura di quanto prontamente un carburante esploda ("bussare") quando viene compresso in un motore a pistoni. Poiché molte turbine per la produzione di energia funzionano a gas naturale, l'unico ostacolo all'uso dell'idrogeno sembrerebbe essere il costo.
@jamesqf né è un fattore con l'idrogeno, poiché l'idrogeno non contiene alcun ottano e quindi il suo "numero di ottano" è 0 per definizione (il numero di ottano è derivato dalla percentuale di ottano nel carburante storicamente, anche se le formule hanno cambiato un un po 'nel tempo per tenere conto dei diversi additivi).
@jwenting Questo non è vero, il numero di ottani può essere definito anche per l'idrogeno poiché i moderni [metodi di misurazione] (https://en.wikipedia.org/wiki/Octane_rating#Measurement_methods) sono indipendenti dal contenuto effettivo di ottano. Secondo Wikipedia, l'idrogeno ha un RON> 130.
@Bianfable quindi la definizione di "numero di ottani" è cambiata nel tempo dal suo significato originale di essere la percentuale di ottano nel carburante, come ho ipotizzato. Nella definizione originale l'idrogeno (o anche il metano per esempio) avrebbe un numero di ottano pari a 0 perché contiene lo 0% di ottano. Questo è il primo posto da cui deriva il nome del numero di ottani.
@jamesqf Dato che la fonte dell'idrogeno è il gas naturale, sarebbe inutile usare l'idrogeno al posto del gas naturale, sì.
@jwenting Non sono a conoscenza del fatto che il numero di ottani _ever_ significava la proporzione di ottano nel carburante (suppongo che potrebbero esserci state variazioni in diversi paesi?). Hai riferimenti al contrario? Il nome deriva semplicemente dal fatto che (una particolare specie di) ottano è il punto di riferimento delle condizioni in cui il carburante si autoinfiamma.
Ok ragazzi, ho modificato la mia risposta. -NN
@jwenting non ha mai fatto riferimento alla percentuale di ottano nel carburante stesso. I primissimi test standardizzati per esso, utilizzavano il numero per fare riferimento alla percentuale di ottano in una miscela * di riferimento * di iso-ottano e n-eptano che iniziava a battere allo stesso rapporto di compressione del carburante in prova. La quantità effettiva di ottano nel carburante testato non era rilevante. Vedi qui per la storia dei test di valutazione dell'ottano: https://tandfonline.com/doi/abs/10.1080/17581206.2016.1223940?src=recsys&journalCode=yhet20
@Luaan: Il gas naturale non è l'unica possibile fonte di idrogeno, anche se potrebbe essere (o no - non lo so) la fonte della maggior parte dell'idrogeno commerciale. Puoi, come avrai imparato nella chimica del liceo, produrlo mediante elettrolisi dell'acqua o mediante molte altre reazioni.
@jwenting: La valutazione in ottano non significa che il carburante contenga ottano, ma misura solo la capacità di resistere ai colpi rispetto all'ottano puro, che ha la sua valutazione arbitrariamente impostata su 100. Quindi, ad esempio, l'etanolo, che non contiene affatto ottano, ha un numero di ottano di ~ 113, il gas naturale è di circa 130, ecc.
Il "colpo" avviene effettivamente in una turbina come in un motore a pistoni?
Stavo supponendo che un flusso costante di carburante in una camera di miscelazione fosse solo una combustione costante, "bussa" effettivamente accade in una turbina come in un motore a pistoni. Ho pensato che fosse una combustione costante in una camera singola rispetto a più cilindri e quindi NON ha colpi ma con una "potenza" 3 volte superiore rispetto ai combustibili fossili .... C'è così tanto da imparare!
Oh si! I motori principali dello Space Shuttle erano preceduti da una turbina a "ciclo di rabbocco" che funzionava con i carburanti LH e LOX del motore principale.
@Skyhawg Penso che potresti essere interessato a [questo video sulla storia e il futuro degli aerei alimentati a idrogeno] (https://www.youtube.com/watch?v=imhla4eovcg). Credo che risponda alla tua domanda e fornisca un contesto aggiuntivo.
Potresti anche essere interessato al [Pulse Detonation Engine] (https://en.wikipedia.org/wiki/Pulse_detonation_engine) che utilizza idrogeno e ossigeno come carburante.
Cinque risposte:
Peter Kämpf
2020-01-22 02:09:29 UTC
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Sì, in effetti il ​​piano per costruire un jet alimentato a idrogeno ha gettato le basi per utilizzare l'idrogeno nei razzi Centaur e negli stadi superiori del Saturn 5. Sebbene l'idrogeno fosse utilizzato solo sperimentalmente nei banchi di prova, l'Unione Sovietica ha costruito un derivato di un normale aereo di linea, il Tupolev 155, per testare l'idrogeno e gas naturale in volo.

EDIT: NACA ha anche effettuato test in volo. Si prega di vedere la risposta di @ jayhendren per i dettagli.

Quindi sì, il Tu-155 è stato effettivamente pilotato in diverse occasioni con un turbofan a idrogeno. Mentre il motore sinistro e quello centrale sono rimasti NK-8, il motore destro è stato sostituito da un NK-88 adattato per GNL e idrogeno. Altri progetti come quello per un aereo di linea supersonico alimentato a idrogeno purtroppo si sono conclusi con la stessa Unione Sovietica.

Tu-155 Cutaway view

Vista in sezione del Tu-155 (immagine fonte)

L'idrogeno è anche il propellente principale nei ramjet ipersonici, ma quelli non sono turbine.

L'idrogeno ha un ampio rapporto di miscelazione con l'aria dove brucerà. Inoltre, essendo gassoso, si miscela molto più velocemente con l'aria, quindi la camera di combustione può essere piccola. Quando un J-57 convertito fu alimentato sperimentalmente a idrogeno nel 1957,

Gli ingegneri di prova furono piacevolmente sorpresi dalla facilità di funzionamento del motore. Lo fecero girare a piena potenza e accelerarono così tanto che la ventola dell'aria girava così lentamente che le singole pale potevano essere contate. In quest'ultima condizione, l'acceleratore potrebbe essere aperto e il motore accelererebbe rapidamente e senza intoppi fino alla piena potenza. Hanno scoperto che la distribuzione della temperatura era buona e non c'erano grossi problemi.

Ma Niels ha ragione: la sua bassa densità rende l'idrogeno problematico. Come Alexis W. Lemmon, Jr., riferì nel maggio 1945 nel suo rapporto sui possibili carburanti per aerei (da history.nasa.gov):

"Sebbene il sistema idrogeno liquido-ossigeno liquido abbia di gran lunga le prestazioni di impulso specifico più elevate di qualsiasi sistema considerato in questo rapporto, la bassa densità media dei componenti del carburante elimina quasi completamente questo sistema da tutte le applicazioni tranne quelle di minore entità."

Grazie .... pensavo che il gas compresso fosse simile alla soluzione dei produttori di automobili .... Due serbatoi da 60 litri ciascuno .... Il peso totale è di 55 kg
Il Tu-155 aveva un solo motore (# 3) funzionante a LH / LNG, quindi era solo (un) turbofan alimentato a idrogeno.
Anche Airbus e Boeing stavano progettando aerei di linea sperimentali alimentati a idrogeno, ma AFAIK non ha mai nemmeno costruito un prototipo in quanto sarebbe del tutto poco pratico in quanto i serbatoi di idrogeno avrebbero occupato l'intera cabina passeggeri e il vano di carico.
@Zeus: Non lo sapevo, ma risulta che hai ragione. Corretto.
@Skyhawg La bassa densità tiene già conto della compressione. Il GPL non è gas compresso - è liquefatto (è anche nel nome - gas di petrolio liquificato). Lo stesso vale per i serbatoi di ossigeno e idrogeno nei razzi. I liquidi non possono essere compressi molto. La densità dell'idrogeno liquido è di soli 70 g / L - un chilogrammo di idrogeno liquido richiede un serbatoio da 14 litri. E per di più, è _molto_ più facile liquefare il gas naturale e mantenerlo così.
@Luann Si parla di Gas Naturale Liquido (GNL), non di Gas di Petrolio Liquido (GPL). Il primo è liquefatto criogenicamente mentre il secondo, essendo principalmente propano e altri idrocarburi a catena corta, si liquefa senza trattamento criogenico. Ogni volta che hai a che fare con liquidi criogenici, i serbatoi, le linee, i raccordi ecc. Diventano più complicati.
Non stavo pensando a GNL né GPL, ma solo H in forma gassosa compressa. L'idrogeno è l'idrogeno, il numero uno nella tavola periodica, la molecola più abbondante nell'Universo.
@Skyhawg Quando le persone usano l'idrogeno come combustibile non usano la forma gassosa perché non è neanche lontanamente abbastanza densa da essere fattibile. Stanno usando idrogeno liquido che è molto più denso dell'idrogeno gassoso compresso e non può essere ulteriormente compresso (in termini di volume, puoi ovviamente aumentare la pressione del fluido ma tutto ciò che otterrai è un valore psi / kpa più alto senza una significativa diminuzione volume)
"Mentre l'idrogeno è stato utilizzato solo sperimentalmente nei banchi di prova, l'Unione Sovietica ha costruito un derivato di un normale aereo di linea ..." questo non è del tutto corretto. La NACA ha eseguito i test in volo di un turbogetto a idrogeno nel 1956, molto prima del programma sovietico. Vedi la mia risposta per maggiori dettagli.
@slebetman Credo che tu abbia ragione, dopo aver letto e imparato di più, una cella a combustibile PEM utilizza molecole gassose per convertirsi in elettricità. Questo sembra più fattibile che bruciare. Quindi l'uso della turbina non è così buono come lo sarebbe l'elica. Sospiro.
@jayhendren: Grazie per le informazioni! Non ho letto abbastanza attentamente le pagine history.nasa.gov.
Se metti il ​​serbatoio dell'idrogeno nella fusoliera (come suggerito dallo spaccato), i serbatoi delle ali diventano uno spazio morto.
niels nielsen
2020-01-21 23:56:06 UTC
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Per i combustibili destinati all'uso negli aeromobili, il parametro di prestazione chiave è la densità di energia del carburante: quanto lavoro potenziale viene immagazzinato in quanti litri di materiale. Un'elevata densità di energia significa che i serbatoi del carburante saranno piccoli e l'energia rilasciata bruciando un litro sarà grande. Il problema con l'utilizzo dell'idrogeno come carburante per aeromobili è che la sua densità di energia è molto inferiore a quella del cherosene o del diesel (perché un litro di idrogeno a pressione atmosferica contiene molta meno energia potenziale chimica di un litro di cherosene) e comprimendola fino a ridurre il suo volume richiede una refrigerazione criogenica che aumenta enormemente il costo e il peso, e il vantaggio in termini di ottano di H2 non è bilanciato da questi svantaggi.

In particolare per quanto riguarda la combustione dell'idrogeno nelle turbine a ciclo brayton, questo è possibile ma economicamente poco pratico perché il costo per produrre un litro di idrogeno è di gran lunga superiore al costo per raffinare un litro di cherosene a getto dal petrolio greggio.

L'energia / massa di H2 è * ottima * (non includere la massa dei serbatoi). Il problema con il gas H2 è l'energia / volume. (litri non chilogrammi). La tua risposta definisce la densità di energia come energia / chilogrammo e poi parla di volume>. <. https://en.wikipedia.org/wiki/Energy_density definisce quel termine come energia / volume, quindi sì, la densità di energia in questo senso è il problema. Energia / massa è più propriamente chiamata [* energia specifica *] (https://en.wikipedia.org/wiki/Specific_energy).
-1
@jwenting: Sto commentando solo sulla terminologia / formulazione, non il punto principale della risposta. (Che non è pratico per motivi di * volume * e / o massa di serbatoi / apparecchiature criogeniche). Sarei felice di dare un voto positivo a questa risposta una volta formulata correttamente per dire effettivamente cosa significa: P
Hai ragione: la densità di energia è la chiave. Tuttavia, l'idrogeno ha una GRANDE densità di energia; come afferma la domanda. Il problema è che il contenitore dell'idrogeno è pesante; il che significa che la densità di energia effettiva è inferiore
Voglio sottolineare che Wikipedia la definisce nello stesso modo in cui la faccio io: "La densità di energia è la quantità di energia immagazzinata in un dato sistema o regione di spazio per unità di volume. Colloquialmente può anche essere usata per l'energia per unità di massa, sebbene il termine preciso per questo è energia specifica. " Sulla base di questo, l'idrogeno NON ha una GRANDE densità di energia.
Quindi, invece di "bruciare" ... L'opzione delle celle a combustibile di conversione in elettricità è una soluzione migliore per energia / densità e sembrerebbe anche risolvere i problemi di emissioni?
@Skyhawg no, perché una cella a combustibile è anche solo un peso aggiunto e non risolve la mancanza intrinseca di densità energetica. Per non parlare del sospetto che il peso di una cella a combustibile che potrebbe produrre tanta energia quanto una turbina peserebbe probabilmente più dell'intero aereo.
Sono confuso quindi ... Una cella a combustibile da 100 KW a 53 kg e due serbatoi che contengono 60 litri compressi a 700 bar ciascuno a 55 kg totali = 108 kg. 158 CV max. Sei ore di potenza. Sembra che una o due persone VTOL personale sia fattibile.
xxavier
2020-01-22 02:45:03 UTC
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Il primo prototipo di Von Ohain del suo turbogetto HeS 3, HeS 1, ha bruciato idrogeno nei primi giri. Solo dopo alcune modifiche è stato in grado di farlo funzionare con un combustibile liquido.

https://en.wikipedia.org/wiki/Heinkel_HeS_1

Aganju
2020-01-23 10:04:23 UTC
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Questo non è completamente sull'argomento ("Aviazione"), ma risponde in qualche modo alla domanda:

L'idrogeno è attualmente considerato il "carburante del futuro" per le turbine a gas esistenti e nuove nelle centrali elettriche , per turbine a gas piccole e grandi allo stesso modo. L'industria sta lavorando per consentire a tutte le linee di turbine esistenti di gestirlo e le modifiche sono minori (beh, minori rispetto alla complessità di una moderna turbina a gas). Molti modelli sono già abilitati e collaudati con successo e il mercato si aspetta di ricevere presto le prime richieste.
Nel complesso, è abbastanza facile usare l'idrogeno, ma forse non su un aereo.

motivo per optare per la combustione dell'idrogeno è che consente lo stoccaggio dell'idrogeno come batteria : quando è disponibile energia extra (preferibilmente solare o eolica), viene convertita in idrogeno e quando è necessaria l'energia viene bruciato nelle turbine a gas esistenti. Ciò consentirebbe di risparmiare trilioni di investimenti esistenti in centrali elettriche convertendole in impianti a idrogeno a emissioni zero.

[Dichiarazione di non responsabilità: ho un rapporto professionale con una società del genere; tuttavia, questa non è un'informazione limitata]

La conversione solare / eolica / idroelettrica in idrogeno immagazzinato è bellissima :)
Per scopi non aerei, l'uso previsto è nelle celle a combustibile, non nelle turbine. Le celle a combustibile producono elettricità, non calore. Questo li libera dal limite di efficienza di Carnot. Anche nelle auto a idrogeno, la penalità in termini di peso di una cella a combustibile più un motore elettrico è così piccola che vale la pena guadagnare in efficienza. Nell'aviazione, le celle a combustibile significherebbero comunque che puoi avere un serbatoio di idrogeno più piccolo e più leggero, ma il peso rimane problematico in entrambi i casi.
Sì, ma su una scala mega macro è perfetto e le turbine elettriche a terra possono avere enormi serbatoi di idrogeno. I mulini a vento generano elettricità, l'eccesso viene utilizzato per scindere l'acqua e l'idrogeno, l'idrogeno viene immagazzinato per la calma del vento. Piu 'grande e', meglio 'e. Il gas naturale liquido sarà molto più facile per gli aeromobili (in particolare quelli che operano tra i terminal) e ora è estremamente economico.
jayhendren
2020-01-23 10:57:11 UTC
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NACA (il predecessore della NASA), ha bruciato idrogeno in un motore a turbogetto in volo.

C'è una lunga storia della sperimentazione di NACA e NASA con l'idrogeno come combustibile nella storia della NASA sito web.

Negli anni '50 la NACA bruciava idrogeno in un motore a turbogetto su un aereo B-57 modificato come parte del Progetto Bee:

Project Bee

È stato pubblicato un rapporto tecnico sulle prestazioni in volo della turbina a idrogeno ed è disponibile per il download sul sito web della NASA.

Gli esperimenti con l'idrogeno come fonte di combustibile per motori a turbina hanno avuto abbastanza successo che l ' aereo da ricognizione ad alta quota Lockheed CL-400 è stato progettato per utilizzare combustibile a idrogeno:

enter image description here

Alla fine, tuttavia, il CL-400 è stato cancellato, anche se alcune delle ricerche per questo progetto sono arrivate nell'ormai famoso SR-71.

Questa è un'ottima scoperta, tuttavia, a cosa serve il serbatoio dell'elio?
[Per pressurizzare il serbatoio del carburante a idrogeno] (https://space.stackexchange.com/questions/9311/why-do-pressure-fed-systems-have-to-be-pressurized-with-helium-or-nitrogen). I razzi alimentati da combustibili criogenici utilizzano spesso la stessa tecnica.


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 4.0 con cui è distribuito.
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