Los combustibles criogénicos son combustibles que requieren almacenamiento a temperaturas extremadamente bajas para mantenerlos en estado líquido . Estos combustibles se utilizan en maquinaria que opera en el espacio (por ejemplo, cohetes y satélites ) donde no se puede utilizar combustible ordinario, debido a las temperaturas muy bajas que a menudo se encuentran en el espacio y a la ausencia de un entorno que favorezca la combustión (en la Tierra, el oxígeno abunda). en la atmósfera , mientras que el espacio explorable por el hombre es un vacío donde el oxígeno es prácticamente inexistente). Los combustibles criogénicos suelen ser gases licuados como el hidrógeno líquido .
Algunos motores de cohetes utilizan enfriamiento regenerativo , la práctica de hacer circular su combustible criogénico alrededor de las boquillas antes de que el combustible se bombee a la cámara de combustión y se encienda. Esta disposición fue sugerida por primera vez por Eugen Sänger en la década de 1940. Todos los motores del cohete Saturn V que envió las primeras misiones tripuladas a la Luna utilizaron este elemento de diseño, que todavía se utiliza hoy en día para motores de combustible líquido.
Muy a menudo, el oxígeno líquido se denomina erróneamente combustible criogénico , aunque en realidad es un oxidante y no un combustible ; como en cualquier motor de combustión , sólo el componente de la combustión sin oxígeno se considera "combustible", aunque esta distinción es arbitraria.
El fabricante de aviones ruso Tupolev desarrolló una versión de su popular diseño Tu-154 pero con un sistema de combustible criogénico, denominado Tu-155 . Utilizando un combustible denominado gas natural licuado (GNL), su primer vuelo fue en 1989.
Los combustibles criogénicos se pueden clasificar en dos categorías: inertes e inflamables o combustibles. Ambos tipos aprovechan la gran relación de volumen de líquido a gas que se produce cuando el líquido pasa a la fase gaseosa. La viabilidad de los combustibles criogénicos está asociada a lo que se conoce como un alto caudal másico. [1] Con regulación, la energía de alta densidad de los combustibles criogénicos se utiliza para producir empuje en cohetes y un consumo controlable de combustible. Las siguientes secciones proporcionan más detalles.
Estos tipos de combustibles suelen utilizar la regulación de la producción y el flujo de gas para impulsar los pistones de un motor. Los grandes aumentos de presión se controlan y dirigen hacia los pistones del motor. Los pistones se mueven gracias a la potencia mecánica transformada por la producción controlada de combustible gaseoso. Un ejemplo notable se puede ver en el vehículo de aire líquido de Peter Dearman. Algunos combustibles inertes comunes incluyen:
Estos combustibles utilizan las beneficiosas propiedades criogénicas del líquido junto con la naturaleza inflamable de la sustancia como fuente de energía. Estos tipos de combustible son bien conocidos principalmente por su uso en cohetes . Algunos combustibles combustibles comunes incluyen:
Los combustibles criogénicos combustibles ofrecen mucha más utilidad que la mayoría de los combustibles inertes. El gas natural licuado, como cualquier combustible, sólo arderá cuando se mezcle adecuadamente con la cantidad adecuada de aire. En cuanto al GNL, la mayor parte de la eficiencia depende del índice de metano, que es el equivalente en gas del índice de octano. [2] Esto se determina en función del contenido de metano del combustible licuado y de cualquier otro gas disuelto, y varía como resultado de eficiencias experimentales. [2] Maximizar la eficiencia en los motores de combustión será el resultado de determinar la proporción adecuada de combustible y aire y utilizar la adición de otros hidrocarburos para una combustión óptima.
Los procesos de licuefacción de gas han ido mejorando en las últimas décadas con la llegada de mejores maquinarias y el control de las pérdidas de calor del sistema. Las técnicas típicas aprovechan el enfriamiento espectacular de la temperatura del gas a medida que se libera la presión controlada del gas. Una presurización suficiente y luego una despresurización posterior pueden licuar la mayoría de los gases, como lo ejemplifica el efecto Joule-Thomson . [3]
Si bien es rentable licuar gas natural para su almacenamiento, transporte y uso, aproximadamente entre el 10 y el 15 por ciento del gas se consume durante el proceso. [4] El proceso óptimo contiene cuatro etapas de refrigeración con propano y dos etapas de refrigeración con etileno. Se puede añadir una etapa de refrigerante adicional , pero los costes adicionales del equipo no son económicamente justificables. [ cita necesaria ] La eficiencia se puede vincular a los procesos en cascada de componentes puros que minimizan la diferencia general de temperatura entre la fuente y el sumidero asociada con la condensación del refrigerante. El proceso optimizado incorpora recuperación de calor optimizada junto con el uso de refrigerantes puros. Todos los diseñadores de procesos de plantas de licuefacción que utilizan tecnologías probadas se enfrentan al mismo desafío: enfriar y condensar eficientemente una mezcla con un refrigerante puro. En el proceso optimizado en Cascada, la mezcla que se va a enfriar y condensar es el gas de alimentación. En los procesos de refrigerante mixto de propano, las dos mezclas que requieren enfriamiento y condensación son el gas de alimentación y el refrigerante mixto. La principal fuente de ineficiencia reside en el tren de intercambio de calor durante el proceso de licuefacción. [5]