¿Por qué no se puede construir un motor de ciclo expansor para usar RP-1 u otros combustibles no criogénicos?

La familia de ciclos de expansión de los ciclos de potencia de los motores de cohetes implica el uso del calor residual de la cámara de combustión y/o la tobera del motor para vaporizar una parte o la totalidad del combustible del motor, y el uso del combustible ahora gaseoso para accionar la(s) turbobomba(s) del motor, antes introduciéndolo en la cámara de combustión ( ciclo cerrado o ciclo de expansión clásico ) o ventándolo por la borda ( ciclo de expansión de ciclo abierto o ciclo de purga de expansión ).

A menudo se escucha la afirmación de que los motores de ciclo expansor solo pueden usar combustibles criogénicos, como hidrógeno líquido o metano líquido. Por ejemplo, para citar el artículo de Wikipedia vinculado anteriormente:

[...] Todos los motores de ciclo expansor necesitan usar un combustible criogénico como hidrógeno, metano o propano que alcanzan fácilmente sus puntos de ebullición.

Sin embargo, cuando uno considera las temperaturas alcanzadas en la cámara de combustión de un motor de cohete, parece que uno debería poder usar fácilmente incluso los combustibles líquidos no criogénicos comunes, como RP-1, en un motor de ciclo de expansión:

  • H 2 punto de ebullición: 20,3 K
  • CH4 punto de ebullición: 111.7K
  • Punto de ebullición RP-1: ~500K
  • Temperatura de combustión H2 : ~2.750K
  • Temperatura combustión CH 4 : ~3,250K
  • Temperatura de combustión RP-1: ~3700K

Como se puede ver, la diferencia entre los puntos de ebullición de (digamos) hidrógeno y RP-1 queda completamente eclipsada por la diferencia entre sus puntos de ebullición, por un lado, y las temperaturas de combustión de cualquiera de esos combustibles, por el otro . 1 En resumen, aunque los combustibles no criogénicos son más difíciles de hervir que los criogénicos, la cámara de combustión típica de un motor de cohete está lo suficientemente caliente como para hervir incluso los no criogénicos con gran facilidad.

Entonces, ¿qué impide el desarrollo de motores de ciclo expansor que utilicen RP-1 u otros combustibles a temperatura ambiente?

1 : De hecho, según los números, el RP-1 podría ser, posiblemente, una mejor opción para un motor de ciclo expansor que el hidrógeno o el metano, ya que su punto de ebullición más alto está más que compensado por su temperatura de combustión mucho más alta, y la limitación factor para grandes motores de ciclo de expansión es la cantidad de calor disponible para fines de expansión de combustible por unidad de tiempo (que está limitada principalmente por la temperatura de combustión del motor).

Respuestas (1)

No es el punto de ebullición, es la capacidad calorífica específica. ¡Temperatura ≠ calor!

El c p del queroseno es de solo 2 kJ/(kg K)) mientras que el del hidrógeno es de 14,31 kJ/(kg K)), literalmente un orden de magnitud mejor.

Eso significa que el queroseno es un refrigerante terrible, y

Para los motores de ciclo expansor, el tamaño máximo y el empuje del motor están limitados por la cantidad de energía (calor) que puede absorber el refrigerante de la cámara de combustión durante el funcionamiento.

(citado de aquí )

Entonces, el queroseno no se usa debido a sus malas propiedades de transferencia de calor. Los ciclos del expansor están limitados de todos modos por la cantidad de energía que prácticamente puede ser suministrada por el combustible vaporizado 1 ; elegir un refrigerante que sea peor en un orden de magnitud hace que el ciclo sea poco práctico.

1 Sutton, 4ª edición, pág. 216

Ah, y si eso no fuera suficientemente malo, existe la coca. Si calienta lo suficiente el RP-1, tiende a "coquearse" o depositar materiales sólidos en las paredes del paso de flujo. Esto empeora aún más el proceso de transferencia de calor, por lo que debe mantener baja la temperatura para evitarlo.

Este mecanismo de coquización predomina a temperaturas superiores a 825 K y se produce cuando el combustible se calienta lo suficiente como para descomponerse en radicales combustibles reactivos, lo que conduce a la eventual formación de coque.

( fuente )

El calor de vaporización del H2 también es casi el doble que el del queroseno.
No estoy seguro de que esta respuesta realmente llegue al meollo del asunto. La limitación del ciclo de expansión no es tanto la cantidad de energía térmica que se puede eliminar (también tiene ese problema en los motores generadores de gas) como la cantidad de energía que se puede eliminar y luego usar para hacer un trabajo mecánico . El CP parece en gran parte irrelevante para esto; principalmente el problema es que RP-1 no hace ningún trabajo útil mientras está por debajo de su punto de ebullición, y no se puede calentar mucho más por encima de este punto sin coquización.
@leftaroundabout otro problema es que requiere temperaturas de pared mucho más altas.
@Christoph sí, pero las altas temperaturas de la pared son realmente buenas para obtener energía del expansor. Incluso con H₂, aunque comienzas con temperatura criogénica, al final del expansor lo tendrás increíblemente caliente, demasiado caliente para RP1.
@leftaroundabout Ese "calor loco" es exactamente la razón por la cual el calor latente y específico es el problema subyacente. Si el motor necesita una cantidad específica de calor eliminado por enfriamiento, las bajas capacidades de calor del RP1 son la razón por la cual el RP1 terminará demasiado caliente.
@BobJacobsen "el motor necesita una cantidad específica de calor eliminado por enfriamiento", pero eso es lo que desea en un motor de ciclo de expansión. El problema esencial, la razón por la que EC no se adapta a los grandes motores de primera etapa, es que el motor no necesita suficiente refrigeración. Si el combustible es fácil de calentar, eso es realmente bueno porque rápidamente comienza a extraer energía mecánica. Para un mal ejemplo extremo, si tuviera que enfriar el motor con sal fundida , podría enfriarlo bien, pero no podría usar esa energía para impulsar la bomba.
Las malas propiedades de transferencia de calor significan que necesitaría una enorme área de intercambio de calor tanto para enfriar la cámara como para recoger suficiente energía para hacer funcionar la turbina. Como se explica en la referencia, esto rápidamente hace que el motor no sea práctico. Sin embargo, siéntase libre de publicar su propia respuesta.
@leftaroundabout: ¿El RP-1 no está específicamente formulado para no coquear?
El último enlace en mi respuesta es un artículo sobre coquización en RP-1.
@Sean todos los hidrocarburos de cadena larga eventualmente se coquearán; RP-1 está optimizado para hacerlo relativamente poco.
¿Por qué no se puede construir un motor de ciclo expansor para usar RP-1 u otros combustibles no criogénicos?
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