Warum sollte Sauerstoff als superkritische Flüssigkeit gespeichert werden?

Organic Marble hat gerade eine Frage zu Apollo 13 in Bezug auf die Speicherung von Sauerstoff beantwortet und einige faszinierende Dinge gepostet, einschließlich der Tatsache, dass Sauerstoff als überkritische Flüssigkeit gespeichert wurde .

Ich habe mich nur gefragt, welche Vorteile es hat , Sauerstoff als superkritische Flüssigkeit zu speichern , und warum wurde dies für Apollo 13 getan? Als Folgefrage habe ich mich auch gefragt, ob dies immer noch der Standard für die Speicherung von Sauerstoff ist ?

Hinweis: Ich weiß sehr wenig über Fluiddynamik.

Antworten (3)

Das gleiche System wurde bei Shuttle verwendet - lassen Sie mich darauf eingehen, die Designphilosophie gilt auch für Apollo (Shuttle hat jedoch die Lüfter gestrichen und hatte einen speziellen Vermeiden-Apollo-13-Kreislauf in den O2-Tanks).

Ein überkritisches Fluid ist jede Substanz bei einer Temperatur und einem Druck über ihrem kritischen Punkt, bei der keine getrennten Flüssigkeits- und Gasphasen existieren.

(Wikipedia-Link in Frage)

Das Fehlen unterschiedlicher Phasen ist wichtig für Systeme wie die Apollo- und Shuttle-Kryosysteme. Die Wärmeübertragungseigenschaften von gasförmigem O2 und flüssigem O2 sind sehr unterschiedlich – wenn die Flüssigkeit Gasblasen enthalten könnte, könnten heiße Stellen auf den Heizflächen neben Blasen auftreten, was in der Umgebung mit reinem O2 katastrophal sein könnte.

Die O2- und H2-Kryogene für die Brennstoffzellen auf überkritischen Bedingungen zu halten, ist aus mehreren Gründen ein kluges Design.

  • Es gibt keine Bedenken, die Flüssigkeiten am Tankauslass zu halten. Die überkritischen Fluide nehmen das gesamte Tankvolumen ein.
  • Es ist einfach, die Eigenschaften der Flüssigkeiten zu verwalten – dies kann mit einem relativ unkomplizierten Heizungs-/Drucksensor-Steuersystem erfolgen.
  • Es werden keine Pumpen oder andere Geräte benötigt, um die Flüssigkeiten auszustoßen, der hohe Druck in den Tanks erledigt das für Sie.
  • Keine Schwappdynamik, da keine Flüssigkeits- / Dampfgrenze (h / t an Tristan für den Kommentar, der auch in der Referenz hier erwähnt wird )

Hier sind Tankmengen- / Druck- / Temperaturdiagramme für die Shuttle-Tanks.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Zu den Nachteilen zählen der Strombedarf für den Betrieb der Heizungen, relativ schwere und teure Tanks – sie müssen hohen Drücken standhalten und sind vakuumummantelt – und natürlich die Gefahr, die Heizungen in einer reinen O2-Umgebung zu betreiben.

Shuttle hatte einen speziellen Kreislauf in seinen O2-Tanks, um eine Katastrophe vom Typ Apollo 13 zu verhindern. Sensoren maßen den Strom, der in die Heizplatten hinein- und herausfließt. Wenn die Ein- und Ausgänge nicht sehr ähnlich waren, wurde ein Kurzschluss an den Heizelementen vermutet und die Heizelemente wurden abgeschaltet.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Quelle: Orbiter Systems Instructor Console Handbook (nicht online)

Es gibt eine schöne Beschreibung des Kryosystems Orbiter im Press Manual . Hier ist ein O2-Tanksystem-Schema von dort.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Wow, der Leckerbissen über die Ausfallsicherheit, die nach Apollo 13 eingerichtet wurde, war interessant, es gibt zwei, weil sie überflüssig sind, oder? Wenn eine Heizung ausfällt oder wegen einer Störung abgeschaltet wird, kann die andere weiterlaufen?
@MagicOctopusUrn Lassen Sie mich die Regeln überprüfen, sie waren ziemlich paranoid, haben möglicherweise nicht das gesamte Heizsystem verwendet.
Wenn ich etwas mehr darüber wissen möchte, wie superkritische Flüssigkeiten Pumpen überflüssig machen, sollte ich das in einer separaten Frage stellen? Liegt es einfach daran, dass die Trübung des Zustandswechsels die Flüssigkeit automatisch homogen verteilt?
Nun, Sie haben eine Flüssigkeit in einem Tank bei 850 psi, wenn Sie ein Ventil öffnen, das mit diesem Tank verbunden ist, wird es herausspritzen! Dann beginnt der Druck zu fallen, und wenn er weit genug abfällt, schalten sich die Heizungen ein und bringen den Druck wieder nach oben. Ich werde oben in der Antwort einige Worte zu überkritischen Flüssigkeiten hinzufügen.
@MagicOctopusUrn In jedem Tank befanden sich redundante A- und B-Heizungen, wie auf der Zeichnung gezeigt. Die Flugregel A9-255 besagt, dass, wenn eine Heizung auslöst, während sie eingeschaltet ist (also vermutlich wirklich kurz), die redundante Heizung nur unter bestimmten besonderen Umständen zu lange verwendet wird, um sie in einem Kommentar zu erklären - aber sie wollten es wirklich nicht verwenden diesen Panzer überhaupt, wenn sie nicht archive.org/details/flight_rules_generic/page/n1485 müssten
Es gibt auch den Vorteil, dass keine Schwappdynamik den Schwerpunkt oder die Lasten beeinträchtigt.
@MagicOctopusUrn: Ich glaube nicht, dass "keine Pumpen zu benötigen" in irgendeiner Weise direkt mit der Überkritikalität zusammenhängt - es ist nur ein nützlicher Nebeneffekt, wenn die Tanks unter hohem Druck gehalten werden, was ohnehin erforderlich ist, um den Inhalt über dem kritischen Druck zu halten. Aber Überkritikalität bedeutet, dass der gesamte Tank mit einer einzigen homogenen Phase gefüllt ist, anstatt Flüssigkeit in einigen Teilen des Tanks und Gas in anderen zu haben, was einige andere Dinge vereinfacht (z. B. kein Schwappen, keine Notwendigkeit für Freiraummotoren, um ein sicheres Starten zu ermöglichen die Triebwerke in Schwerelosigkeit).
@IlmariKaronen, das war eine eloquente Art, es jemandem zu erklären, der keine Vorkenntnisse in Fluiddynamik hat. Danke für den Kommentar :)!
Diese Antwort zu überkritischem Sauerstoff ist eine gute Lektüre chemistry.stackexchange.com/a/122246/16035
@uhoh nett, und scheint Uwes Tauchflaschenbedenken gut anzusprechen. Wir haben die Z-Form des idealen Gasgesetzes im Shuttle Mission Simulator für Hochdruck-Heliumtanks verwendet.
Wie gehen Sie mit der Kurve in der Grafik um, wenn die Kraftstoffvorräte aufgebraucht sind? Es scheint, als ob der Rest des Systems den Druck und die Temperatur schnell anpassen muss, wenn Kraftstoff verbraucht wird. Halten Sie das für eine gute Folgefrage?
@MagicOctopusUrn Die Heizungen waren so eingestellt, dass sie den Druck auf etwa 850 psi (O2), 220 psi (H2) hochhielten, weit über der "Dampfkuppel".
@OrganicMarble ahhh ... Ich habe die Grafik falsch gelesen, ich habe es jetzt verstanden. Blöder Fehler.

Ich bin kein Chemiker, aber ich werde mich auf die Beine stellen und in Kommentaren einen Weg vorschlagen, einige Probleme zu lösen.

Es sieht für mich so aus, als ob es sich um eine überkritische Flüssigkeit handelt, solange Sie gleichzeitig über dem kritischen Druck und der kritischen Temperatur liegen. daher der Name.

Solange der Druck über 50,4 bar und die Temperatur über 154,5 K (-118,6 C) liegt, ist es überkritisch. Und in einem Tank wird es entweder ganz überkritisch oder gar nicht sein , es sei denn, Sie haben einen vorübergehenden Temperatur- oder Druckgradienten.

Diese ausgezeichnete Antwort erklärt, dass sich die überkritische Phase von Sauerstoff und vielen anderen Gasen oft ähnlich wie ein „normales“ ideales Gas verhalten kann und nicht „wackelig mit allen möglichen erstaunlichen, bizarren Eigenschaften“ ist. Ich empfehle dringend eine Lektüre!

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

oben: https://www.engineeringtoolbox.com/oxygen-d_1422.html

unten: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Phase-diag2.svg

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Hier ist ein Video, das zeigt, wie eine Flüssig- und Gasphase aussieht, die in einen überkritischen Zustand übergeht. Die Linie, an der die Oberfläche der Flüssigkeit auf das Gas trifft, verschwindet einfach und die Farbe (dies ist zufällig Chlor) wird auf halbem Weg zwischen der dunkleren Flüssigkeit und dem helleren Gas. Ziemlich cool, besonders wenn man sieht, wie es sich am Ende wieder in Flüssigkeit + Gas umwandelt!

Das ist ein ordentliches Video. Ich nehme an, was wir am Ende sehen, ist eine vorübergehende kritische Opaleszenz , wenn die Gas- und Flüssigphase getrennt werden und sich dann allmählich unter der Schwerkraft trennen? Das heißt, im Grunde beginnen die Phasen alle durcheinander, wenn die Flüssigkeit den kritischen Punkt erreicht, und dann regnet die flüssige Phase allmählich herunter, während das Gas aufsteigt?
@IlmariKaronen es könnte sein, ich weiß es nicht, aber hier ist ein weiteres interessantes Video; youtu.be/GER3NxsPTOA
@uhoh Wow! Du hast die besten Videos, das war wahnsinnig cool. Es hilft tatsächlich zu sehen, worüber alle gesprochen haben, wenn es darum geht, „alle Teile des Tanks in der gleichen Phase“ zu haben. Es ist seltsam, sich Gedanken zu machen.
Aber Sauerstoff, der in Stahlflaschen unter einem Druck von 200 bar bei Raumtemperatur verkauft wird, ist gasförmig, nicht überkritisch. Das ideale Gasgesetz gilt für Sauerstoff zwischen 1 und 200 bar.
Das war in der Tat cool, ich habe den Übergang visuell noch nie miterlebt.
@Uwe alles, was ich habe, sind die gezeigten Quellen und die Schlussfolgerungen, die sie erklären. Was Sie gesagt haben, widerspricht ihnen: "Es ist bei Raumtemperatur und 200 bar nicht überkritisch". Haben Sie dafür eine unterstützende Quelle? Lassen Sie uns dem auf SE-Weise auf den Grund gehen und nach den besten unterstützenden Quellen für die zitierten Fakten suchen. Ich werde morgen in der Bibliothek sein, damit ich eine richtige Literatursuche machen kann.
Sporttaucher verwenden das Ideak-Gasgesetz für Luft- und Sauerstoffflaschen, um die Menge des verbleibenden Gases für 200 bis 10 bar zu berechnen. Dies wäre bei überkritischem Sauerstoff im Tank nicht möglich.
@Uwe Ich habe gerade gefragt Ist Sauerstoff über dem kritischen Punkt immer überkritische Flüssigkeit? Würde es immer noch ungefähr dem idealen Gasgesetz folgen? Können Sie einen Blick darauf werfen und sich vergewissern, dass Sie mit dem, was ich geschrieben habe, zufrieden sind?
@Uwe Sie sprechen von "flüssigkeitsähnlicher überkritischer Flüssigkeit", in Ihrer Flasche ist es gasartig, was so ziemlich nur ein Gas ist, und es wird normalerweise ignoriert, technisch "überkritisch" zu sein.
space.stackexchange.com/a/37049/18825 .. Ich bin verwirrt, kein Schwappen, worüber spricht diese Anomalie?
@Prakhar "kein Schwappen", das auf dieser Seite diskutiert wird, gilt nur für überkritischen Sauerstoff . Diese beiden Apollo-Raumschiffe hatten flüssige Treibstoffe und auch etwas kryogenen flüssigen Sauerstoff.
@uhoh Also hatte nur Apollo 13 einen solchen Speicher?
@Prakhar "no sloshing" gilt nur für Gase und überkritische Flüssigkeiten (die in diesem Zusammenhang Gasen sehr ähnlich sind). Flüssigtreibstoffe sind sehr verbreitet und schwappen wie verrückt! Raumfahrzeuge haben alle Arten von Anti-Slosh-Vorkehrungen. Es ist nur so, dass im Fall von Apollo 11 (und einigen anderen) diese Vorsichtsmaßnahmen in einigen Situationen möglicherweise nicht gut genug waren.
@Prakhar Ihr Link bezieht sich auf das Schwappen von Treibmitteln , die im Apollo- Antriebssystem verwendet werden . Auf dieser ganzen Seite geht es um Reaktanten , die im elektrischen System von Apollo und Shuttle verwendet werden.

Will man möglichst viel Sauerstoff in einem gegebenen Volumen speichern, muss man die Dichte deutlich erhöhen. Es gibt zwei Möglichkeiten, dies zu erreichen.

  • Niedertemperatur (kryogene Flüssigkeit)
  • Hochdruck (überkritische Flüssigkeit)

Wenn Sie es nicht sehr lange lagern müssen (z. B. während eines Starts), hat kryogener Flüssigsauerstoff viele Vorteile. Sie erhalten maximale Dichte und die Tanks müssen keinen hohen Drücken standhalten.

Aber für eine ausgedehnte Mission ist kryogene Lagerung problematisch. Sie müssen entweder über Kapazitäten verfügen, um ein erhebliches Abkochen zu bewältigen, oder Sie benötigen aktive Kühlsysteme (die Leistung, Masse und Komplexität erfordern). Die Alternative besteht darin, es auf Umgebungstemperatur kommen zu lassen und die erforderlichen hohen Drücke auszuhalten.

Bei einer Mission von mittlerer bis langer Dauer wie Apollo kostet die kryogene Lagerung also viel. Dadurch wird die geringere Dichte superkritischer Fluide zu einem akzeptablen Kompromiss.

Aber das überkritische Fluid existiert bei hohem Druck UND niedriger Temperatur. Sehen Sie sich die Diagramme in der Antwort von Organic Marble an. Der kritische Punkt von Sauerstoff liegt bei 154,581 K, 5,043 MPa. Der Siedepunkt liegt mit 90,188 K etwas niedriger. Die Tanks für die Apollo-Brennstoffzellen wurden für hohen Druck und Wärmedämmung für niedrige Temperaturen ausgelegt.
Die Shuttle- und Apollo-Panzer waren sowohl kryogen als auch überkritisch. Deine Antwort ist falsch.
Der Kommentar ist richtig, aber die Antwort macht trotzdem Sinn, da kryogene Flüssigkeiten eine niedrigere Temperatur und überkritische Flüssigkeiten einen hohen Druck erfordern.
Diese Antwort zu überkritischem Sauerstoff ist eine gute Lektüre chemistry.stackexchange.com/a/122246/16035
Warum sollte Sauerstoff als superkritische Flüssigkeit gespeichert werden?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v