तरल नाइट्रोजन इंजन

तरल नाइट्रोजन वाहन तरल नाइट्रोजन द्वारा संचालित होता है, जिसे टैंक में संग्रहित किया जाता है। पारंपरिक नाइट्रोजन इंजन डिजाइन उष्मा का आदान प्रदान करने वाले(ताप विनिमयक) में तरल नाइट्रोजन को गर्म करके, परिवेशी वायु से गर्मी निकालने और पिस्टन या घूर्णी मोटर को संचालित करने के लिए परिणामी दबाव वाली गैस का उपयोग करके काम करते हैं। तरल नाइट्रोजन द्वारा चलाए जाने वाले वाहनों का प्रदर्शन किया गया है, किन्तु इनका उपयोग व्यावसायिक क्षेत्र में नहीं किया जाता है। ऐसा ही वाहन, 'तरल वायु', 1902 में प्रदर्शित किया गया था।

तरल नाइट्रोजन प्रणोदन को संकर तंत्र में भी सम्मिलित किया जा सकता है, जैसे बैटरी को रिचार्ज करने के लिए बैटरी विद्युत प्रणोदन और फ्यूल टैंक। इस प्रकार की प्रणाली को संकर तरल नाइट्रोजन-विद्युत प्रणोदन कहा जाता है। इसके अतिरिक्त, पुनर्जनक आरोधन का उपयोग इस प्रणाली के संयोजन में भी किया जा सकता है।

तरल नाइट्रोजन वाहन का लाभ यह है कि निकास गैस केवल नाइट्रोजन है, जो हवा का घटक है, और इस प्रकार यह टेलपाइप उत्सर्जन में कोई स्थानीय वायु प्रदूषण उत्पन्न नहीं करता है। यह इसे पूरी तरह से प्रदूषण मुक्त नहीं बनाता है, क्योंकि पहले स्थान पर नाइट्रोजन को द्रवित करने के लिए ऊर्जा की आवश्यकता थी, किन्तु द्रवीकरण प्रक्रिया वाहन संचालन से दूरस्थ हो सकती है, और सिद्धांत रूप में अक्षय ऊर्जा या टिकाऊ ऊर्जा स्रोत द्वारा संचालित हो सकती है।

विवरण
तरल नाइट्रोजन को क्रायोजेनिक या रिवर्स स्टर्लिंग इंजन कूलर द्वारा उत्पन्न किया जाता है  कूलर जो वायु के मुख्य घटक नाइट्रोजन (N2) को द्रवीभूत करते है। कूलर को बिजली द्वारा या जलविद्युत से सीधे यांत्रिक कार्य के माध्यम से या पवन वाली टर्बाइन से संचालित किया जा सकता है।

तरल नाइट्रोजन को वैक्यूम फ्लास्क में वितरित और संग्रहित किया जाता है। विद्युतरोधन संग्रहीत नाइट्रोजन में गर्मी के प्रवाह को कम करता है; यह आवश्यक है क्योंकि आसपास के वातावरण से गर्मी तरल को उबालती है, जो तब गैसीय अवस्था में परिवर्तित हो जाती है। प्रवाहित होने वाली गर्मी को कम करने से भंडारण में तरल नाइट्रोजन की हानि कम हो जाती है। भंडारण की आवश्यकताएं परिवहन के साधन के रूप में पाइपलाइनों के उपयोग को रोकती हैं। चूंकि इन्सुलेशन आवश्यकताओं के कारण लंबी दूरी की पाइपलाइनें महंगी होंगी, तरल नाइट्रोजन के उत्पादन के लिए दूर के ऊर्जा स्रोतों का उपयोग करना महंगा होता है। पेट्रोलियम भंडार सामान्यतः खपत से विशाल दूरी पर होते हैं किन्तु परिवेश के तापमान पर स्थानांतरित किए जा सकते हैं।

तरल नाइट्रोजन की खपत संक्षेप में उत्क्रम में उत्पादन है। स्टर्लिंग इंजन या क्रायोजेनिक ऊष्मा इंजन वाहनों को बिजली देने की विधि और बिजली उत्पन्न करने का साधन प्रदान करता है। तरल नाइट्रोजन रेफ्रिजरेटर, सीपीयू कूलिंग और एयर कंडीशनिंग इकाइयों के लिए सीधे शीतलक के रूप में भी काम कर सकता है। तरल नाइट्रोजन की खपत प्रभावी रूप से उबलते हुए नाइट्रोजन को वायुमंडल में वापस कर रही है।

डियरमैन इंजन में नाइट्रोजन को इंजन के सिलेंडर के अंदर ऊष्मा एक्सचेंज फ्लुइड के साथ मिलाकर गर्म किया जाता है।

2008 में, यूएस पेटेंट कार्यालय ने तरल नाइट्रोजन संचालित टरबाइन इंजन पर पेटेंट प्रदान किया। टर्बाइन फ्लैश तरल नाइट्रोजन का विस्तार करता है जिसे टर्बाइन के उच्च दबाव वाले खंड में छिड़का जाता है, और टरबाइन के पीछे से निकलने वाली गैस की उच्च-वेग धारा उत्पन्न करने के लिए विस्तारित गैस को आने वाली दबाव वाली हवा के साथ जोड़ा जाता है। परिणामी गैस धारा का उपयोग जनरेटर या अन्य उपकरणों को चलाने के लिए किया जा सकता है। 1 kW से अधिक के बिजली जनरेटर को बिजली देने के लिए प्रणाली का प्रदर्शन नहीं किया गया है, चूंकि उच्च उत्पादन संभव हो सकता है।

कार्नाट चक्र
चूंकि तरल नाइट्रोजन परिवेश के तापमान से अधिक ठंडा है, फिर भी तरल नाइट्रोजन इंजन ऊष्मा इंजन का उदाहरण है। ऊष्मा इंजन गर्म और ठंडे जलाशय के बीच तापमान के अंतर से तापीय ऊर्जा निकालकर चलता है; तरल नाइट्रोजन इंजन की स्थिति में, गर्म जलाशय परिवेश (कमरे के तापमान) के आसपास की हवा है, जिसका उपयोग नाइट्रोजन को उबालने के लिए किया जाता है।

जैसे, नाइट्रोजन इंजन हवा की तापीय ऊर्जा से ऊर्जा निकाल रहा है, और रूपांतरण दक्षता जिसके साथ यह ऊर्जा को परिवर्तित करता है, कार्नो दक्षता समीकरण का उपयोग करके ऊष्मप्रवैगिकी के नियमों से गणना की जा सकती है, जो सभी ताप इंजनों पर प्रायुक्त होती है।

टैंक
तरल नाइट्रोजन को भंडारण करने के लिए टैंकों को आईएसओ 11439 जैसे दबाव पोत के लिए उपयुक्त सुरक्षा मानकों के लिए डिज़ाइन किया जाना चाहिए।

भंडारण टैंक का बनाया जा सकता है:
 * इस्पात
 * एल्युमीनियम
 * कार्बन फाइबर
 * केवलर
 * अन्य सामग्री, या उपरोक्त का संयोजन।

फाइबर सामग्री धातुओं की तुलना में अधिक हल्की होती है किन्तु सामान्यतः अधिक महंगी होती है। धातु के टैंक बड़ी संख्या में दबाव चक्रों का सामना कर सकते हैं, किन्तु समय-समय पर जंग के लिए जाँच की जानी चाहिए। तरल नाइट्रोजन, LN2, सामान्यतः वायुमंडलीय दबाव पर 50 लीटर तक के इंसुलेटेड टैंकों में ले जाया जाता है। गैर-दबावयुक्त टैंक होने के कारण ये टैंक निरीक्षण के अधीन नहीं हैं। उपयोग के बिंदु पर तरल को स्थानांतरित करने में सहायता के लिए एलएन 2 के लिए बहुत बड़े टैंकों को कभी-कभी 25 पीएसआई से कम दबाव डाला जाता है।

तरल नाइट्रोजन वाहन
1902 में तरल नाइट्रोजन, तरल वायु द्वारा संचालित वाहन का प्रदर्शन किया गया था।

जून 2016 में लंदन यूके में सुपरमार्केट जे. सेन्सबरी के खाद्य वितरण वाहनों के बेड़े में डियरमैन नाइट्रोजन इंजन का उपयोग करके परीक्षण प्रारंभ होगा, जब वाहन स्थिर है और मुख्य इंजन बंद है, तो खाद्य कार्गो को ठंडा करने के लिए शक्ति प्रदान करता है। वर्तमान में डिलीवरी लॉरी में मुख्य इंजन बंद होने पर पावर कूलिंग के लिए अधिकांशतः दूसरे छोटे डीजल इंजन होते हैं।

उत्सर्जन उत्पादन
अन्य गैर-दहन ऊर्जा भंडारण प्रौद्योगिकियों के प्रकार, तरल नाइट्रोजन वाहन उत्सर्जन स्रोत को वाहन के टेल पाइप से केंद्रीय विद्युत उत्पादन संयंत्र में विस्थापित करता है। जहां उत्सर्जन मुक्त स्रोत उपलब्ध हैं, वहां प्रदूषकों के शुद्ध उत्पादन को कम किया जा सकता है। विस्तृत रूप से फैले हुए वाहनों के उत्सर्जन के उपचार की तुलना में केंद्रीय उत्पादन संयंत्र में उत्सर्जन नियंत्रण उपाय अधिक प्रभावी और कम खर्चीला हो सकता है।

लाभ
तरल नाइट्रोजन वाहन विद्युतीय वाहन के लिए कई प्रकार से तुलनीय हैं, किन्तु बैटरी के अतिरिक्त ऊर्जा को भंडारण करने के लिए तरल नाइट्रोजन का उपयोग करें। अन्य वाहनों पर उनके संभावित लाभों में सम्मिलित हैं:


 * बिजली के वाहनों के प्रकार, तरल नाइट्रोजन वाहनों को अंततः विद्युत ग्रिड के माध्यम से संचालित किया जाएगा, जिससे सड़क पर लाखों वाहनों के विपरीत, स्रोत से प्रदूषण को कम करने पर ध्यान केंद्रित करना आसान हो जाता है।
 * विद्युत ग्रिड से बिजली निकालने के कारण ईंधन के परिवहन की आवश्यकता नहीं होगी। यह महत्वपूर्ण लागत लाभ प्रस्तुत करता है। ईंधन परिवहन के समय उत्पन्न प्रदूषण समाप्त हो जाएगा।
 * रखरखाव पर कम लागत आती हैं।
 * तरल नाइट्रोजन टैंकों को बैटरी की तुलना में कम प्रदूषण के साथ निपटाया या पुनर्नवीनीकरण किया जा सकता है।
 * तरल नाइट्रोजन वाहन वर्तमान बैटरी प्रणाली से जुड़ी गिरावट की समस्याओं से मुक्त हैं।
 * टैंक को अधिक बार फिर से भरा जा सकता है और कम समय में बैटरी को तरल ईंधन के बराबर ईंधन भरने की दर से रिचार्ज किया जा सकता है
 * यह टर्बोकंपाउंड प्रणाली में दूसरे को चलाने के लिए अपशिष्ट गर्मी का उपयोग करके पेट्रोल या डीजल इंजन के संयोजन के साथ संयुक्त चक्र पावरट्रेन के भाग के रूप में काम कर सकता हैं। यह संकर तंत्र के रूप में भी चल सकता है।

हानि
मुख्य हानि प्राथमिक ऊर्जा का अक्षम उपयोग है। ऊर्जा का उपयोग नाइट्रोजन को द्रवीभूत करने के लिए किया जाता है, जो बदले में मोटर को चलाने के लिए ऊर्जा प्रदान करती है। ऊर्जा के किसी भी रूपांतरण में हानि होती है। तरल नाइट्रोजन कारों के लिए, नाइट्रोजन की द्रवीकरण प्रक्रिया के समय विद्युत ऊर्जा नष्ट हो जाती है।

तरल नाइट्रोजन सार्वजनिक ईंधन भरने वाले स्टेशनों में उपलब्ध नहीं है; चूँकि, अधिकांश वेल्डिंग गैस आपूर्तिकर्ताओं में वितरण प्रणालियाँ हैं और तरल नाइट्रोजन तरल ऑक्सीजन उत्पादन का प्रचुर उपोत्पाद है।

उत्पादन की लागत
तरल नाइट्रोजन उत्पादन ऊर्जा-गहन प्रक्रिया है। वर्तमान में कुछ टन प्रति दिन तरल नाइट्रोजन का उत्पादन करने वाले व्यावहारिक प्रशीतन संयंत्र लगभग 50% कार्नाट ताप इंजन पर काम करते हैं। वर्तमान में अधिशेष तरल नाइट्रोजन का उत्पादन तरल ऑक्सीजन के उत्पादन में उपोत्पाद के रूप में किया जाता है।

तरल नाइट्रोजन का ऊर्जा घनत्व
किसी पदार्थ के चरण-परिवर्तन पर निर्भर कोई भी प्रक्रिया किसी पदार्थ में रासायनिक प्रतिक्रिया से जुड़ी प्रक्रियाओं की तुलना में बहुत कम ऊर्जा घनत्व होगी, जिसके बदले में परमाणु प्रतिक्रियाओं की तुलना में ऊर्जा घनत्व कम होता है। ऊर्जा भंडारण के रूप में तरल नाइट्रोजन का ऊर्जा घनत्व कम होता है। तुलनात्मक रूप से तरल हाइड्रोकार्बन ईंधन में उच्च ऊर्जा घनत्व होता है। उच्च ऊर्जा घनत्व परिवहन और भंडारण की संचय को और अधिक सुविधाजनक बनाता है। उपभोक्ता स्वीकृति में सुविधा महत्वपूर्ण कारक है। कम लागत के साथ संयुक्त पेट्रोलियम ईंधन के सुविधाजनक भंडारण से अद्वितीय सफलता मिली है। इसके अतिरिक्त, पेट्रोलियम ईंधन प्राथमिक ऊर्जा स्रोत है, न कि केवल ऊर्जा भंडारण और परिवहन माध्यम हैं।

ऊर्जा घनत्व—वाष्पीकरण की नाइट्रोजन की समदाबीय ऊष्मा और गैसीय अवस्था में विशिष्ट ऊष्मा से प्राप्त होता है—जिसे सैद्धांतिक रूप से वायुमंडलीय दबाव और 27 डिग्री सेल्सियस परिवेशी तापमान पर तरल नाइट्रोजन से प्राप्त किया जा सकता है जो लगभग 213 वाट-घंटे प्रति किलोग्राम (W·h/kg) है, चूंकि सामान्यतः वास्तविक परिस्थितियों में केवल 97 W·h/kg प्राप्त किया जा सकता है। यह लिथियम आयन बैटरी के लिए 100-250 W·h/kg और 28% थर्मल दक्षता पर चलने वाले गैसोलीन आंतरिक दहन इंजन के लिए 3,000 W·h/kg के साथ तुलना करता है, जो कार्नाट दक्षता में उपयोग किए गए तरल नाइट्रोजन के घनत्व का 14 गुना है।

समतापी विस्तार इंजन के लिए आंतरिक दहन इंजन की तुलना में, 350 L पृथक जहाज पर भंडारण पोत की आवश्यकता होती है। व्यावहारिक मात्रा, किन्तु विशिष्ट 50 L गैसोलीन टैंक पर ध्यान देने योग्य वृद्धि होती हैं। अधिक जटिल बिजली चक्रों को जोड़ने से यह आवश्यकता कम हो जाती है और ठंढ मुक्त संचालन को सक्षम करने में सहायता मिलती हैं। चूंकि, वाहन प्रणोदन के लिए तरल नाइट्रोजन के व्यावसायिक रूप से व्यावहारिक उदाहरण उपस्थित नहीं हैं।

पाला गठन
आंतरिक दहन इंजनों के विपरीत, क्रायोजेनिक कार्यशील द्रव का उपयोग करने के लिए कार्यशील तरल पदार्थ को गर्म और ठंडा करने के लिए ताप विनिमायकों की आवश्यकता होती है। नम वातावरण में, पाले का गठन गर्मी के प्रवाह को रोकेगा और इस प्रकार अभियान्त्रिकी चुनौती का प्रतिनिधित्व करता है। पाला के गठन को रोकने के लिए, कई कार्यशील तरल पदार्थों का उपयोग किया जा सकता है। यह सुनिश्चित करने के लिए उत्कृष्ट चक्र जोड़ता है जिससे ताप विनिमयक हिमीकरण से नीचे नहीं गिरता है। ठंढ मुक्त संचालन को सक्षम करने के लिए अतिरिक्त ताप विनिमयक्स, वजन, जटिलता, दक्षता हानि और व्यय की आवश्यकता होती हैं।

सुरक्षा
नाइट्रोजन ईंधन टैंक पर विद्युतरोधन कितना भी कुशल क्यों न हो, वाष्पीकरण से वातावरण में अनिवार्य रूप से हानि होती है। यदि कोई वाहन अनुपयुक्त हवादार स्थान में संग्रहित किया जाता है, तो कुछ जोखिम होता है जैसे कि नाइट्रोजन के रिसाव से हवा में ऑक्सीजन की मात्रा कम हो सकती है और श्वासावरोध हो सकता है। चूंकि नाइट्रोजन रंगहीन और गंधहीन गैस है जो पहले से ही हवा का 78 प्रतिशत भाग बनाती है, ऐसे परिवर्तन का पता लगाना कठिन होता हैं।

क्रायोजेनिक तरल पदार्थ छलकने पर खतरनाक होते हैं। तरल नाइट्रोजन शीतदंश उत्पन्न कर सकता है और कुछ सामग्रियों को अधिक भंगुर बना सकता है।

चूंकि तरल नाइट्रोजन 90.2K से अधिक ठंडा होता है, इसलिए वातावरण से ऑक्सीजन संघनित हो सकती है। तरल ऑक्सीजन अनायास और हिंसक रूप से डामर जैसे पेट्रोलियम उत्पादों सहित कार्बनिक रसायनों के साथ प्रतिक्रिया कर सकती है।

चूंकि इस पदार्थ का तरल से गैस विस्तार अनुपात 1:694 है, यदि तरल नाइट्रोजन तेजी से वाष्पीकृत हो जाए तो जबरदस्त मात्रा में बल उत्पन्न हो सकता है। 2006 में टेक्सास ए एंड एम विश्वविद्यालय की एक घटना में, तरल नाइट्रोजन के टैंक के दबाव-राहत उपकरणों को पीतल के प्लग से सील कर दिया गया था। परिणामस्वरूप, टैंक विनाशकारी रूप से विफल हो गया और विस्फोट हो गया।

यह भी देखें

 * ऊर्जा भंडारण
 * क्रायोजेनिक ऊर्जा भंडारण
 * भविष्य ऊर्जा विकास
 * अल्ट्रा-लो-एमिशन व्हीकल

अग्रिम पठन

 * C.A. Ordonez, M.C. Plummer, R.F. Reidy "Cryogenic Heat Engines for Powering Zero Emission Vehicles", Proceedings of 2001 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, November 11–16, 2001, New York, NY.
 * Kleppe J.A., Schneider R.N., “A Nitrogen Economy”, Winter Meeting ASEE, Honolulu, HI, December, 1974.
 * Gordon J. Van Wylen and Richard F. Sontag, Fundamentals of Classical Thermodynamics SI Version 2nd Ed.

बाहरी संबंध

 * Video of car powered by liquid air, embedded in BBC News report (car appears at 0m 52s).
 * LN2 Vehicle 1, a liquid nitrogen–powered car using a Cryogenic Heat Engine at the University of North Texas.
 * Discussion on LN2 vehicle feasibility at How stuff works
 * Thermodynamic Properties of various fuels (tabulated data).