Ist etwas grundsätzlich falsch am „autogenen Expanderzyklus“?

Diese Frage ist ein Spinoff von hier .

Um den Kontext festzulegen, hier ist mein Verständnis des Expanderzyklus:

  1. Der geschlossene Expansionszyklus ist sehr effizient, vielleicht effizienter als der gestufte Verbrennungszyklus. Es hat auch eine sehr geringe mechanische Komplexität im Vergleich zu anderen Zyklen (sehen Sie sich die Einfachheit von BE-7 an ), was es sehr zuverlässig macht (sehen Sie sich die Langlebigkeit von RL-10 an ). Aber ein geschlossener Expanderkreislauf lässt sich nicht gut skalieren, und Motoren mit einem Schub über 150 kN sind nicht praktikabel.
  2. Der offene Expanderzyklus hat nicht die gleichen Skalenbeschränkungen ( BE-3U hat eine Schubkraft von 710 kN und LE-9 wird voraussichtlich eine Schubkraft von fast 1.500 kN haben). Es ist jedoch weniger effizient, da ein kleiner Teil des Treibmittels unverbrannt ausgestoßen wird. Damit rückt er in puncto Effizienz näher an Gasgenerator-Motoren heran.

Warum also nicht das Abgas der Turbine des offenen Expanderkreislaufs zurück zu den Tanks leiten, um sie autogen unter Druck zu setzen (siehe Diagramm und Beschreibung unten)? Dieser soll das Beste aus beiden Welten vereinen: Effizienz des geschlossenen Expanderkreislaufs mit Kraft des offenen Expanderkreislaufs. Aber soweit ich weiß, wurde dies noch nicht getan - also übersehe ich vielleicht etwas?

Kurze Beschreibung

Der Zyklus funktioniert ziemlich ähnlich wie der offene Dual-Expander-Zyklus – aber anstatt die Leistung der Turbopumpen zu verwerfen, wird das Treibmittel in die entsprechenden Tanks zurückgeführt.

Soweit ich weiß, müssen nur etwa 2% des Treibmittels umgeleitet werden, um die Pumpen zu betreiben. Aber ich habe dafür nur eine einzige Quelle (Seite 5 von hier ). Wenn also jemand bessere Zahlen dazu hat, wie viel Treibmittel normalerweise zum Betreiben der Pumpen in einem offenen Expanderzyklus verwendet wird, wäre ich für die Informationen sehr dankbar.

Wenn das Treibmittel in die Tanks zurückkehrt, kondensiert das meiste davon wieder in flüssiger Form, wenn es mit dem in den Tanks verbleibenden unterkühlten Treibmittel in Kontakt kommt (ich verstehe, dass dies auch bei der einfachen autogenen Druckbeaufschlagung passiert). Zur Steuerung der Kondensationsrate können verschiedene Verfahren zum Zurückeinspritzen des Treibmittels in die Tanks verwendet werden.

Die Temperatur des in die Tanks zurückgeführten Treibmittels liegt bei etwa 400 K (dies stammt auch von derselben Seite 5 von hier - daher wäre jede Validierung oder Ungültigkeitserklärung hilfreich). Und da nur etwa 2 % des Treibstoffs zurückgeführt werden, reicht es nicht aus, den Rest des Treibstoffs in den Tanks nennenswert zu erhitzen.

Der letzte Punkt gilt nur, solange noch viel Treibstoff in den Tanks vorhanden ist - aber nicht mehr, wenn die Tanks fast leer sind. An dieser Stelle müsste das Abgas der Turbopumpen weitgehend verworfen werden – wie im regulären offenen Expanderkreislauf.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Sie verlieren die Vorteile der Unterkühlung Ihres Treibmittels, wenn Sie anfangen, es zu erhitzen. Berechnen Sie die Wärme, die Sie in den Tank werfen - SHC des gasförmigen Bereichs, latente Verdampfungswärme, SHC des flüssigen Bereichs, vergleichen Sie mit SHC des unterkühlten Treibmittels (SHC nimmt tendenziell ab, wenn die Temperatur sinkt).
Sehen Sie sich die Gasmenge an, die Sie in die Tanks pumpen. Wie stellen Sie sicher, dass alles kondensiert ist, bevor es aus dem Tank abgelassen wird? Sehen Sie nach, ob Sie Durchflussraten für autogene Druckbeaufschlagungssysteme finden können, und vergleichen Sie sie mit der Durchflussrate Ihres Expanders.
@JCRM - Ich denke, autogene Druckbeaufschlagungssysteme sind darauf ausgelegt, die Kondensation zu minimieren - daher sind ihre Durchflussraten wahrscheinlich nicht besonders informativ. Es scheint mir, dass die Kondensationsrate keine grundlegende Herausforderung ist. Die Wärmekapazität für Kraftstoff ist wahrscheinlich auch keine grundlegende Herausforderung. Im schlimmsten Fall kann Propan verwendet werden, das eine große Streuung zwischen Schmelz- und Siedepunkt (ca. 140 Grad) und einen ziemlich stabilen SHC über verschiedene Temperaturen hinweg hat.
Die Wärmekapazität von Sauerstoff könnte jedoch ein Problem darstellen, da die Spanne zwischen Schmelz- und Siedepunkt nur 30 Grad beträgt. Dies erfordert wahrscheinlich genauere Analysen.
Die Durchflussraten sind informativ, denn sie zeigen Ihnen, wie viel Wärme benötigt wird. Meine Berechnungen auf der Rückseite des Umschlags zeigen, dass Sie etwa 0,5% von 400.000 verarbeiten können, bevor Ihr unterkühltes Methan zu kochen beginnt
Ich bin gespannt, wie Sie erwarten, es so schnell zu verdichten. Ich denke, ein geschlossener Kreislauf wäre viel einfacher.
@JCRM - ja, ich fange an zu glauben, dass Methan möglicherweise nicht der beste Kraftstoff für dieses System ist. Aber ich denke, andere Brennstoffe (z. B. Propan) könnten funktionieren? Um ehrlich zu sein, habe ich nicht viel über Kondensation nachgedacht - aber ein Ansatz könnte darin bestehen, das Gas unter der Oberfläche der Flüssigkeit freizusetzen und es abkühlen zu lassen, während es nach oben sprudelt.
Wenn man also die Hüllkurvenberechnungen für Propan durchführt, sehen die Zahlen sehr günstig aus. Unter der Annahme, dass das Gas bei 400 K zurückkehrt, müssten fast 30 % der Masse zurück in den Tank gepumpt werden, bevor unterkühltes Propan zu sieden beginnt. Dies ist viel weniger als 2 % - es gibt also eine große "Sicherheitsmarge". Bei Sauerstoff sind die Dinge etwas weniger klar: Ähnliche Berechnungen zeigen, dass nur etwa 10% benötigt würden, um den Sauerstoff im Tank zum Sieden zu bringen (wenn ich meine Berechnungen richtig gemacht habe). Die "Sicherheitsmarge" ist also viel geringer.
OK, wie wird sich die Temperaturänderung des Propans auf die Dichte auswirken? Wie viel Effizienz verlieren Sie, wenn Ihre Treibmittelmischung dadurch "aus" ist?
Das Einspritzen von 2% der Propanmasse bei 400 K zurück in den Tank mit flüssigem Propan, das bei 90 K gelagert wird, sollte die Temperatur des Treibmittels im Tank um weniger als 10 K ändern (dies ist natürlich eine zu starke Vereinfachung, sollte aber ungefähr im richtigen Bereich liegen). . Es wird also von 90K auf 100K gehen und die Dichte wird sich um etwa 3% ändern. Ich bin mir nicht sicher, ob dies einen signifikanten Einfluss auf die Mischung haben wird, zumal sich gleichzeitig auch die Sauerstoffdichte ändert.
@JCRM - Übrigens, wie haben Sie Methan bei 0,5% der eingespritzten Masse zum Kochen gebracht? Ich verstehe, dass es ungefähr 5% der Masse sein müsste, die bei 400 K eingespritzt wird, um den Tank zum Kochen zu bringen.
Es sieht so aus, als hätte ich den Wert korrigiert, um den Unterschied zwischen dem SHC von Wasserstoff (aus Ihrer Quelle) und Methan zu berücksichtigen - die Arbeitsmenge, die Sie aus einer Turbine ziehen, ist (im Grunde) die Wärme, die der Strömung entzogen wird
Ich habe dann die resultierende ~4-mal so viel Hitze wie zum Kochen benötigt und auf die 2%-Zahl angewendet. Während ich hätte sagen sollen, dass Sie nur 5% des heißen Gases versenken können, von den 20%, die benötigt werden.
Es ist nicht genug Platz vorhanden, um das gesamte Turbinenabgas aufzunehmen. Flüssiges Methan ist 700-mal dichter als Gas, sodass Sie für jeden 1 Teil Volumen verbrannten flüssigen Methans 700 * 2% = 14-faches Turbinenabgas im Volumen erzeugen. Wenn Sie es wirklich wollten, muss Ihr Tank einem Druck von 14 atm standhalten, um ihn aufzunehmen. Ich denke nicht, dass es in beide Richtungen machbar ist (Erhöhen der Tankstärke oder Reduzieren des Gasausstoßes).
Das Turbinenabgas wird nicht gleichzeitig in den Tank eingespritzt. Es wird allmählich eingespritzt, wenn der Motor brennt, und der Großteil der 2 % verflüssigt sich aufgrund von Kondensation, wenn es mit dem flüssigen Treibstoff in den Tanks in Kontakt kommt. Also - ich glaube nicht, dass der Tankplatz ein Problem sein wird.
Sie müssen noch erklären, wie Sie es schaffen, es so schnell zu verflüssigen
Ich bin mir nicht sicher, wie ich diese Frage definitiv beantworten soll. Der Massenstrom zurück zu den Tanks ist eher gering. Wenn beispielsweise der Massenstrom von den Tanks 500 kg/s beträgt, beträgt der Massenstrom zurück zu den Tanks nur 10 kg/s. Es scheint, als ob das Kondensieren von 10 kg / s keine allzu große Herausforderung sein sollte. Ich habe in den Kommentaren oben eine Option erwähnt: Den Auspuff zum Boden der Tanks leiten und dort ablassen. Wenn das Gas nach oben sprudelt, wird es auf natürliche Weise abkühlen und sich verflüssigen. Aber ich bin mir nicht sicher, wie ich die Tiefe abschätzen soll, die erforderlich ist, damit dies funktioniert (z. B. verflüssigt sich das Gas, nachdem es 2 m oder 20 m passiert hat).
10 kg Methan bei 400.000 sind etwa 20 Kubikmeter. - und Sie verwenden immer noch 2 % - für Methan sind es etwa 15 %, also nehmen wir an, Sie spritzen jede Sekunde 100 Kubikmeter Gas in Ihren Tank. Wenn jede der Blasen zusammenbricht, sendet sie einen Schock durch das Methan
15 % sind auf den Unterschied im SHC zwischen Methan und Wasserstoff zurückzuführen - richtig? Ich bin davon ausgegangen, dass dies teilweise durch eine weniger leistungsstarke Turbine ausgeglichen würde, da Sie nicht so viel Methan wie Wasserstoff (in Bezug auf das Volumen) bewegen müssen - aber vielleicht denke ich nicht richtig darüber nach? Was das Volumen betrifft, so wäre es in beiden Fällen etwas geringer, da Sie Methan mit zwischen 3 und 5 bar in den Tank zurückspritzen würden. Also selbst bei 15% wären das weniger als 50 Kubikmeter. Und um dies abzumildern, könnten Sie es an mehreren Stellen injizieren – auf diese Weise wären die Blasen nicht zu groß.
@JCRM - Ich habe den Beitrag mit Schätzungen aktualisiert, wie viel Treibmittel basierend auf den Unterschieden in SHC mit Wasserstoff zurückgepumpt werden müsste. Scheint, als wäre Methan dafür in der Tat eine ziemlich schlechte Option - aber Propan könnte immer noch funktionieren.
Kein Experte, aber brauchen Sie nicht eine Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang der Pumpe, um Arbeit zu extrahieren? ZB das Drücken des Auspuffs in den Tank, um ihn unter Druck zu setzen, würde die Leistungsabgabe der Pumpe im Vergleich zum Entlüften verringern. Ein niedrigerer Pumpendruck bedeutet dann, dass Ihr Kammerdruck niedriger und der Motor weniger effizient ist. Ich denke, Sie könnten versuchen, dies zu kompensieren, indem Sie den Prozentsatz des expandierten Gases erhöhen, das durch die Pumpen fließt, aber die Wärmekapazität des LoX sieht für dieses Schema bereits ziemlich marginal aus.
@ EvanSteinbrenner - Ich denke, den Auspuff wieder in die Tanks zu stecken, ist fast so gut wie ihn zu entlüften. Die Tanks haben normalerweise 3 - 5 bar, während der Druck am Turbineneingang über 120 bar liegt. Sie verlieren also 2 % - 3 % der Leistung gegenüber dem Entlüften - aber das ist nicht allzu bedeutend.

Antworten (2)

Basierend auf der Diskussion in den Kommentaren und einigen zusätzlichen Recherchen werde ich versuchen, meine eigene Frage zu beantworten:

Das Design, zumindest so wie es ist, scheint nicht praktikabel zu sein.

Erstens, während zum Betreiben der Pumpen nur 2 % der Treibmittelmasse erforderlich sind, wenn das Arbeitsmedium Wasserstoff ist, werden bei anderen Fluiden weit mehr als 2 % benötigt. Basierend auf meinen groben Berechnungen würde es 10 % - 12 % Methan und 8 % - 10 % Sauerstoff benötigen, um ihre jeweiligen Pumpen zu betreiben. Ein anderer potenzieller Brennstoff könnte Propan sein, aber ich habe widersprüchliche Zahlen erhalten, als ich versuchte zu berechnen, wie viel Propan benötigt würde, um die Pumpen zu betreiben.

Zweitens wird das Zurückpumpen von etwa 10 % der Treibmittel in die Tanks die Temperatur der Tanks erheblich beeinflussen. Im Falle von Methan oder Wasserstoff verdampft es tatsächlich das Treibmittel in den Tanks. Bei Sauerstoff wird es sehr nahe an den Siedepunkt gebracht (obwohl Sauerstoff nicht verdampfen sollte, solange Sie weniger als 12% zurückpumpen). Für Propan sollte es kein Problem sein, da Propan einen sehr hohen Siedepunkt (231 K) hat - aber auch hier bin ich mir nicht sicher, wie viel Propan zurückgepumpt werden muss, damit das Schema funktioniert.

Schließlich, und vielleicht noch wichtiger, verrichtet bei dieser Konstruktion der größte Teil der von der Düse abgezogenen Wärmeenergie keine nützliche Arbeit. Etwa 90 % des aufgeheizten Treibmittels werden sofort verbrannt. Somit werden nur etwa 10 % der Energie für den Betrieb der Pumpen verbraucht. Wenn also nicht viel zusätzliche Wärme verfügbar ist, funktioniert dieses Design nicht. Und wenn viel zusätzliche Wärme verfügbar ist, würde ein geschlossener Expanderkreislauf wahrscheinlich besser funktionieren.

Ein weiteres potenzielles Problem, das in den Kommentaren angesprochen wurde, war, dass das Abkühlen des Treibmittels nach seiner Rückkehr in die Tanks schwierig sein wird. Ich glaube nicht, dass dies ein grundlegendes Problem ist und auf verschiedene Weise angegangen werden kann (z. B. das Gas in der Nähe des Bodens der Tanks freisetzen und beim Aufblasen abkühlen lassen) - aber ich habe keinen endgültigen Beweis dafür Das.

Fazit: Dieses Design funktioniert nicht mit Kraftstoffen wie Wasserstoff und Methan. Es könnte mit Propan funktionieren, aber selbst dann wäre es wahrscheinlich nicht die effizienteste Art, Wärmeenergie zu nutzen. Das ist wahrscheinlich der Grund, warum es nirgendwo verwendet wurde.

Außerdem wirkt sich der Gegendruck aus dem Tank negativ auf die Arbeit Ihrer Turbine aus ...

Vielleicht sollten Sie sich einen Split- Dual-Expander-Zyklus ansehen . Dabei werden die Treibmittel in zwei Stufen/zwei aufeinanderfolgenden Pumpen durch eine Pumpe geleitet.

Nach der ersten Stufe wird ein Teil des Treibmittels zur Brennkammer geleitet und der Rest geht durch die Hochdruckpumpe und wird dann geleitet, um die Kammer/Düse zu kühlen, und das erhitzte Treibmittel ändert die Phase und treibt die entsprechende Turbine an. Eventuell kann der aus der Turbine austretende Treibstoff (teilweise) zur autogenen Druckbeaufschlagung (ggf. nach Wärmeaustausch mit dem frischen Treibstoff) verwendet werden.

Ist etwas grundsätzlich falsch am „autogenen Expanderzyklus“?
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