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液化空气驱动时代或将到来:技术前景已显现

尽管被很多工程师视作一种破坏性的技术,但实际上液化空气的用途还远不止于此。降温至-196摄氏度的低温液化空气可以被视作一种储能机制,这种思想将有可能颠覆我们对现有活塞式发动机和储能计划形式的认识


液化空气发动机“迪门”的技术开创者之一:皮特·迪门

除此之外,这项技术还可以被应用于发电设施,用于将风能,太阳能和潮汐能等转化而来的能量进行储存,调节电网高峰期和低潮期之间的供求平衡。

据国外媒体报道,尽管被很多工程师视作一种破坏性的技术,但实际上液化空气的用途还远不止于此。降温至-196摄氏度的低温液化空气可以被视作一种储能机制,这种思想将有可能颠覆我们对现有活塞式发动机和储能计划形式的认识。

低温空气技术早已出现,这是众所周知的。构成空气78%的氮气最早在1883年实现液化,当时使用的方法是不断对其进行压缩和释放,并在此过程中提取掉释放出来的热量。

液化空气驱动汽车的夭折

位于美国波士顿的液化空气公司很早便设计制造出了世界上第一辆使用液化空气驱动的汽车。但这家公司本身命运多舛:它于1899年正式成立,仅仅3年之后便宣告倒闭。这家公司或许的确是不幸的,但是它所设计开发的汽车却确实可以开动,并在1902年由其发明人汉斯·克努森(Hans Knudsen)进行了演示。根据记载,当时这辆动力独特的汽车行驶了大约40英里(约合64.4公里),时速约12英里(约合19.3公里),所使用的动力来源为15加仑(约合56.8升)的液化空气。

毫无疑问的,这一想法是有着巨大潜力的。一升这种略显粘稠的淡蓝色液体中就包含着相当于700升正常气压下的空气成分。一旦被释放至常温下,液化空气迅速沸腾气化,体积膨胀700倍并排放到空气之中,完全没有污染。正是这种巨大的膨胀性能可以被用来驱动活塞式引擎,如迪门发动机(Dearman Engine)。拉夫堡大学应用热力学教授科林·加纳(Colin Garner)表示:“工程师们喜欢这种膨胀效应,那种效应非常有用。”

皮特·迪门(Peter Dearman)是一名发明家和工程师,他对使用液化空气驱动汽车的想法感到着迷。他在上世纪60年代便认识到了这一想法背后的潜力,但是当时存在的问题在于基于这一原理的发动机体积太大并且效率低下。当时这种发动机普遍采用的原理是利用热交换机实现液氮或液化空气的气化。

柳暗花明

后来,美国华盛顿州立大学发表了一份报告,其中认为这种“低温发动机”只有当液化空气在相同温度下实现气化时才有可能达成能被接受的效率值。正是这份报告激发了迪门的灵感。他想到了将液化空气注入到一种热转移介质中,一般用的是乙二醇防冻剂,后者一般的温度是室温。

这两种温度差异巨大的液体混合之后,液氮在舱室内迅速受热膨胀,驱动发动机产生二冲程循环,在此过程中产生动力并向外排出“废气”。迪门表示:“我知道如果你能在等温条件下实现液化空气气化,它的产能效率可以达到与使用常规燃料相差无几的水平。我还知道如果我能制造出这样一种发动机,那我将能大展身手。”

随后这些热转移介质在经过散热器之后可以被重新回收利用,在此过程中其温度可以再次被提升至室温水平,而如果能够实现从汽车内部各部位收集余热并用于进一步加热这些转移介质,那么在下一轮的混合交换过程中将可以进一步提升其驱动效率。相比之下,传统燃料释放的能量中有大约1/3被用于加热冷却液,另有35%则被作为高温废气白白浪费掉。

迪门引擎则可以收集其中大部分被浪费的余热,从而提升驱动效率。这一思想具有重大的应用潜力,如它可以被应用于公共汽车上,这样乘客的体温导致的车厢升温可以被转化为车辆的动力,另外就是冷藏车,温暖食物散发的热量也可以被转化为驱动车辆前行的动力。另外,那些在矿山工作,散热成为伤脑筋大问题的施工机械也是一个潜在的巨大市场。

Ricardo是一家总部位于英国苏塞克斯郡的咨询公司,该公司已经致力于针对迪门引擎的前景研究超过两年时间,他们考虑过各种进一步改进其性能表现的方案。

安德鲁·阿特金斯博士(Dr Andrew Atkins)是Ricardo咨询公司的首席技术工程师,他设想在迪门引擎中引入阿特金森或米勒循环机制来进一步提升效率,而科林·加特纳等人则建议使用塑料或合金材料制造这种发动机,从而大大降低成本,提升在与其它传统发动机进行竞争时的优势。

广阔的应用前景

在5月9日召开的英国皇家工程师学会会议上讨论了液化空气未来的应用前景,在此次会议上发表了数篇有关这一项目经济性前景理论和实际可操作性的研究论文。液态空气并非是商业化生产的产品,但每天却仍然有大约8500吨的液氮产量剩余,这些剩余的液氮都会被直接排放进入大气浪费掉。而事实上这些液氮完全足以驱动汽车行驶650万公。相比之下,根据英国交通部统计数据显示,全英国的汽车和出租车每天大约行驶10.589亿公里,所有车辆每天大约行驶13.342亿公里。

按照目前英国的电力成本计算,液化空气的生产成本约为每升2.5~3.6便士,通过将制造基地设置在靠近液化天然气(LNG)终端设施附近等方法还可以进一步降低生产成本。

液化空气的低能量密度现实意味着它将难以撼动现存的以内燃机为基础的发动机市场,但是它将对电驱动汽车的兴起产生明显的竞争。尤其是因为后者充电需要耗费大量时间,另外考察整个电动汽车的生产过程,其每公里仍然相当于排放了30克的二氧化碳气体。

除此之外,这项技术还可以被应用于发电设施,用于将风能,太阳能和潮汐能等转化而来的能量进行储存,调节电网高峰期和低潮期之间的供求平衡。尽管还有其它很多种产能方式可供选择,但是液化空气技术的优势是它的原理非常简单,技术是成熟的,并且相比之下它的成本更低。或者用工程师们的话来说:你用一根榔头就能修好它。科林·加特纳表示:“当然在储能性能方面液化空气技术没有蓄电池那么性能优越,但也已经足够好。”

为了进一步提升其潜力,迪门公司以及它的姊妹企业高视储能公司(Highview Power Storage)已经设立的工厂,正致力于通过回收发电厂散失热能的方式提升能源利用效率。

仍然任重道远

在低温储能方面未来一定还会遇到这样那样的问题,较低的能量密度和复杂的热动力学原理可能会限制它的发展前景,就和现有的纯电动车辆和混合动力车辆遇到问题一样。另外反应室内的霜冻问题以及润滑液在低温下的有效性问题等等也将可能会对这项技术的进一步发展产生困扰。阿特金斯表示:“产业界已经认识到这些问题,并且它们正是接下来将会要尝试去解决的对象。”

因此总的来说,尽管我们距离真正进入“氮驱动”社会,或者早上起来在自己的爱车内不是加入汽油,而是加入液氮的时代还相当遥远,但是液化空气技术和迪门发动机引擎的技术前景已然显现。

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