¿Hay algo fundamentalmente erróneo con el 'ciclo de expansor autógeno'?

Esta pregunta es un derivado de aquí .

Para establecer el contexto, aquí está mi comprensión del ciclo de expansión:

  1. El ciclo de expansión cerrado es muy eficiente, quizás más eficiente que el ciclo de combustión por etapas. También tiene muy poca complejidad mecánica en comparación con otros ciclos (observe la simplicidad de BE-7 ) lo que lo hace muy confiable (observe la longevidad de RL-10 ). Pero el ciclo de expansión cerrado no escala bien, y los motores con un empuje de más de 150 kN no son prácticos.
  2. El ciclo de expansor abierto no tiene las mismas limitaciones de escala ( BE-3U tiene 710 kN de empuje, y se espera que LE-9 tenga cerca de 1500 kN de empuje). Pero es menos eficiente porque una pequeña porción del propulsor se expulsa sin quemarse. Esto lo acerca más a los motores de ciclo de generador de gas en términos de eficiencia.

Entonces, ¿por qué no enrutar el escape de la turbina del ciclo expansor abierto de regreso a los tanques para presurizarlos de forma autógena (consulte el diagrama y la descripción a continuación)? Esto debería combinar lo mejor de ambos mundos: la eficiencia del ciclo de expansión cerrado con la potencia del ciclo de expansión abierto. Pero, hasta donde yo sé, esto aún no se ha hecho, entonces, ¿tal vez me estoy perdiendo algo?

Breve descripción

El ciclo funciona prácticamente de la misma manera que el ciclo de expansor doble abierto, pero en lugar de descartar la salida de las turbobombas, el propulsor se devuelve a sus respectivos tanques.

Según tengo entendido, solo se necesita desviar alrededor del 2% del propulsor para hacer funcionar las bombas. Pero solo tengo una fuente única para esto (página 5 de aquí ). Entonces, si alguien tiene mejores números sobre la cantidad de propelente que se usa generalmente para hacer funcionar las bombas en un ciclo de expansión abierto, realmente agradecería la información.

A medida que el propulsor regresa a los tanques, la mayor parte se vuelve a condensar en forma líquida cuando entra en contacto con el propulsor subfrío que queda en los tanques (entiendo que esto es lo que sucede en la presurización autógena simple también). Se pueden usar diferentes métodos para inyectar el propulsor nuevamente en los tanques para controlar la tasa de condensación.

La temperatura del propelente devuelto a los tanques es de alrededor de 400 K (esto también proviene de la misma página 5 de aquí , por lo que cualquier validación o invalidación de esto sería útil). Y dado que solo se devuelve alrededor del 2% del propulsor, no es suficiente para calentar significativamente el resto del propulsor en los tanques.

El último punto es cierto solo mientras quede mucho combustible en los tanques, pero no será cierto una vez que los tanques estén casi vacíos. En este punto, el escape de las turbobombas debería desecharse en gran medida, como en el ciclo normal de expansor abierto.

ingrese la descripción de la imagen aquí

pierde las ventajas de subenfriar su propulsor si comienza a calentarlo. Calcule el calor que está arrojando al tanque: SHC de rango gaseoso, calor latente de evaporación, SHC de rango líquido, compárelo con SHC de propelente subenfriado (SHC tiende a reducirse a medida que baja la temperatura)
mire el volumen de gasolina que está bombeando a los tanques, ¿cómo se asegura de que todo se condense antes de que se ventile del tanque? vea si puede encontrar tasas de flujo para sistemas de presurización autógena y compárelas con la tasa de flujo de su expansor.
@JCRM: creo que los sistemas de presurización autógena están diseñados para minimizar la condensación, por lo que sus tasas de flujo probablemente no sean muy informativas. Me parece que la tasa de condensación no es un desafío fundamental. La capacidad calorífica del combustible probablemente tampoco sea un desafío fundamental. En el peor de los casos, se puede usar propano que tiene una gran diferencia entre los puntos de fusión y ebullición (alrededor de 140 grados) y tiene un SHC bastante estable a diferentes temperaturas.
Sin embargo, la capacidad calorífica del oxígeno podría ser un problema, porque la diferencia entre el punto de fusión y el de ebullición es de solo 30 grados. Entonces, esto probablemente requiera análisis más precisos.
Los caudales son informativos, porque le muestran cuánto calor se necesita. Mis cálculos de la parte posterior del sobre muestran que puede manejar alrededor del 0.5% de 400k antes de que su metano subenfriado comience a hervir
Me intriga cómo esperas condensarlo tan rápido. Creo que ir a un ciclo cerrado sería mucho más fácil.
@JCRM: sí, estoy empezando a pensar que el metano puede no ser el mejor combustible para este sistema. ¿Pero creo que otros combustibles (por ejemplo, propano) podrían funcionar? En cuanto a la condensación, para ser honesto, no lo he pensado mucho, pero un enfoque podría ser liberar el gas debajo de la superficie del líquido y dejar que se enfríe mientras burbujea hacia la parte superior.
Por lo tanto, al hacer los cálculos generales para el propano, los números parecen muy favorables. Suponiendo que el gas regrese a 400 K, casi el 30 % de la masa debería bombearse de regreso al tanque antes de que el propano subenfriado comience a hervir. Esto es mucho menos del 2%, por lo que hay un gran margen de "seguridad". Para el oxígeno, las cosas son algo menos claras: un tipo similar de cálculos muestra que solo se necesitaría alrededor del 10% para comenzar a hervir oxígeno en el tanque (si hice mis cálculos correctamente). Entonces, el "margen de seguridad" es mucho menor.
Bien, ahora, ¿cómo afectará el cambio de temperatura del propano a la densidad? ¿Cuánta eficiencia perderá si su mezcla de propelente está "apagada" como resultado?
Inyectar el 2 % de la masa de propano a 400 K de nuevo en el tanque con propano líquido almacenado a 90 K debería cambiar la temperatura del propulsor en el tanque a menos de 10 K (esto es, por supuesto, una simplificación excesiva, pero debería estar aproximadamente en el estadio correcto) . Entonces, pasará de 90K a 100K, y la densidad cambiará en aproximadamente un 3%. No estoy seguro de si esto tendrá un efecto significativo en la mezcla, especialmente porque la densidad del oxígeno también cambiará al mismo tiempo.
@JCRM: por cierto, ¿cómo conseguiste que el metano hirviera al 0,5% de la masa inyectada? Entiendo que tendría que ser alrededor del 5% de la masa inyectada a 400K para comenzar a hervir el tanque.
Parece que apliqué una corrección al valor para tener en cuenta la diferencia entre el SHC de hidrógeno (de su fuente) y metano: la cantidad de trabajo que obtiene de una turbina es (básicamente) el calor extraído del flujo
Luego tomé el calor resultante ~ 4 veces más que el necesario para hervir, y lo apliqué a la cifra del 2%. Mientras que debería haber dicho que solo podías hundir el 5% del gas caliente, del 20% necesario.
No hay suficiente espacio para contener todos los gases de escape de la turbina. El metano líquido es 700 veces más denso que el gas, por lo que por cada volumen de 1 parte de metano líquido quemado, se generan 700*2 % = 14 veces el volumen de gases de escape de la turbina. Si realmente lo desea, entonces su tanque debe soportar una presión de 14 atm para contenerlo. No creo que sea factible en uno o ambos sentidos (aumentar la fuerza del tanque o reducir el escape de gas).
El escape de la turbina no se inyecta en el tanque al mismo tiempo. Se inyecta gradualmente a medida que se quema el motor, y la mayoría del 2 % se licua debido a la condensación cuando entra en contacto con el propulsor líquido en los tanques. Entonces, no creo que el espacio del tanque sea un problema.
aun tienes que explicar como logras licuarlo tan rapido
No estoy seguro de cómo responder definitivamente a esta pregunta. El flujo másico de regreso a los tanques es bastante pequeño. Por ejemplo, si el flujo de masa de los tanques es de 500 kg/s, el flujo de masa de regreso a los tanques es de solo 10 kg/s. Parece que condensar 10 kg/s no debería ser demasiado desafiante. Mencioné una opción en los comentarios anteriores: canalice el escape hasta el fondo de los tanques y suéltelo allí. A medida que el gas burbujea hasta la parte superior, se enfriará y se licuará naturalmente. Pero no estoy seguro de cómo estimar la profundidad necesaria para que esto funcione (por ejemplo, tal vez el gas se licuará después de pasar 2 mo 20 m).
10 kg de metano a 400 k son unos 20 metros cúbicos. - y todavía está usando el 2% - para el metano será alrededor del 15%, así que digamos que está inyectando 100 metros cúbicos de gas en su tanque cada segundo. A medida que cada una de las burbujas colapsa, envía una descarga a través del metano.
El 15% se debe a la diferencia en SHC entre el metano y el hidrógeno, ¿verdad? Supuse que se compensaría parcialmente al necesitar una turbina menos potente, ya que no es necesario mover tanto metano como hidrógeno (en términos de volumen), pero tal vez no lo estoy pensando correctamente. En cuanto al volumen, en cualquier caso sería algo menor porque estarías inyectando metano de nuevo en el tanque entre 3 y 5 bar. Entonces, incluso al 15% serían menos de 50 metros cúbicos. Y para mitigar esto, podría inyectarlo en varios lugares; de esta manera, las burbujas no serían demasiado grandes.
@JCRM: actualicé la publicación con estimaciones de la cantidad de propulsor que se necesitaría bombear en función de las diferencias en SHC con hidrógeno. Parece que el metano es una opción bastante mala para esto, pero el propano aún podría funcionar.
No soy un experto de ninguna manera, pero no necesita un diferencial de presión entre la entrada y la salida de la bomba para extraer trabajo. Por ejemplo, empujar el escape hacia el tanque para presurizarlo reduciría la potencia de salida de la bomba en lugar de ventilarla. Una presión más baja de la bomba significa que la presión de la cámara es más baja y el motor menos eficiente. Creo que podría intentar compensar aumentando el porcentaje de gas expandido que pasa por las bombas, pero la capacidad calorífica del LoX ya parece bastante marginal para este esquema.
@EvanSteinbrenner: creo que volver a colocar el escape en los tanques es casi tan bueno como ventilarlo. Los depósitos suelen estar a 3 - 5 bar, mientras que la presión a la entrada de la turbina supera los 120 bar. Por lo tanto, pierde entre un 2 % y un 3 % de potencia frente a la ventilación, pero eso no es demasiado significativo.

Respuestas (2)

Basado en la discusión en los comentarios y en algunas investigaciones adicionales, intentaré responder mi propia pregunta:

El diseño, al menos tal como está, no parece viable.

En primer lugar, si bien se necesita solo el 2 % de la masa propulsora para hacer funcionar las bombas cuando el fluido de trabajo es hidrógeno, se necesitará mucho más del 2 % para otros fluidos. Según mis cálculos aproximados, se necesitarían entre un 10 % y un 12 % de metano y entre un 8 % y un 10 % de oxígeno para hacer funcionar sus respectivas bombas. Otro combustible potencial para usar podría ser el propano, pero obtuve números contradictorios al intentar calcular cuánto propano se necesitaría para hacer funcionar las bombas.

En segundo lugar, bombear alrededor del 10 % de los propulsores de regreso a los tanques afectará significativamente la temperatura de los tanques. De hecho, en el caso de metano o hidrógeno, vaporizará el propulsor en los tanques. Para el oxígeno, lo acercará mucho al punto de ebullición (aunque, mientras bombee menos del 12% de regreso, el oxígeno no debería vaporizarse). Para el propano, no debería ser un problema ya que el propano tiene un punto de ebullición muy alto (231 K), pero nuevamente, no estoy seguro de cuánto propano debe bombearse para que el esquema funcione.

Por último, y quizás lo más importante, en este diseño la mayor parte de la energía térmica extraída de la boquilla no realiza ningún trabajo útil. Aproximadamente el 90% del propulsor calentado se quema inmediatamente. Por lo tanto, solo alrededor del 10% de la energía se utiliza para hacer funcionar las bombas. Entonces, a menos que haya mucho calor extra disponible, este diseño no funcionará. Y si hay mucho calor extra disponible, un ciclo de expansión cerrado probablemente funcionaría mejor.

Otro problema potencial mencionado en los comentarios fue que será difícil enfriar el propulsor una vez que regrese a los tanques. No creo que sea un problema fundamental y se puede abordar de varias maneras (por ejemplo, liberar el gas cerca del fondo de los tanques y dejar que se enfríe mientras burbujea), pero no tengo una prueba definitiva para este.

En resumen: este diseño no funcionará con combustibles como el hidrógeno y el metano. Podría funcionar con propano, pero incluso entonces, probablemente no sería la forma más eficiente de utilizar la energía térmica. Esta es probablemente la razón por la que no se ha utilizado en ninguna parte.

Además, la contrapresión del tanque afectará negativamente el trabajo de su turbina...

Tal vez debería considerar un ciclo de expansor dual dividido . En este caso, los propulsores pasan a través de una bomba en dos etapas/dos bombas consecutivas.

Después de la primera etapa, parte del propulsor se envía a la cámara de combustión y el resto pasa por la bomba de alta presión y luego se envía a enfriar la cámara/boquilla y el propulsor calentado cambia de fase y acciona la turbina correspondiente. Tal vez (parte de) el propulsor que sale de la turbina se pueda usar para la presurización autógena (después del intercambio de calor con el propulsor fresco, si es necesario).

¿Hay algo fundamentalmente erróneo con el 'ciclo de expansor autógeno'?
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