¿Radiadores cilíndricos en naves espaciales?

Tener sus radiadores protegidos tácticamente del fuego enemigo por la forma de armadura de su buque de guerra espacial es bueno, pero tener radiadores regulares de uno o dos lados sigue siendo una vulnerabilidad. Otros conceptos como la gota de líquido y los radiadores electrostáticos parecen demasiado complejos y requieren mucha más potencia. Estaba pensando en radiadores similares a los de las puntas de grafito que se ven en las jaulas de las antorchas de fusión en Attack Vector: Tactical. Sobresaldrían del cuerpo del buque de guerra en un ángulo que les permita ser bloqueados por el blindaje frontal del fuego que se aproxima. Tendrían una superficie radiante envuelta alrededor de toda la circunferencia con tuberías de fluido de trabajo que atraviesan el interior. ¿Qué tan factible es esto? ¿Cuáles son sus ideas para su diseño (aproximaciones de longitud, diámetro y materiales)? ¿Cómo calcularía cuánto calor disiparían? Suponga que se trata de 1-2 GW de calor residual de un reactor nuclear de 200 MW.

Círculo rojo dibujado estratégicamente que señala los picos del radiador en un buque de guerra de AV: T

Las centrales eléctricas terrestres tienen un rendimiento total de alrededor del 30%. Descargar 1 GW de 1,2 GW es aproximadamente la mitad de ese rendimiento.
Véase Radiación térmica/Potencia radiativa . Aplique una calculadora científica para calcular qué área necesita en función de la temperatura.
Solo para su información, los picos en ese diseño son radiadores 'secundarios' destinados a deshacerse de una cantidad menor de calor residual involucrado en la contención magnética de la unidad de fusión. Los radiadores principales son de tipo convencional, retraídos en combate. Aquí está la misma clase, con radiadores extendidos: projectrho.com/public_html/rocket/images/basicdesign/…

Respuestas (2)

La ecuación para la potencia radiante es PAG = ϵ σ A T 4 El grafito comienza a sublimar a los 3.700 grados Kelvin. Supongamos que no hay un factor de seguridad, pero uno típico para la industria aeroespacial es 1,5, lo que reduciría la temperatura de funcionamiento del diseño a 2500 Kelvin.

Desafortunadamente, como señalaron otros, su bomba de calor es el factor limitante a una temperatura del radiador mucho más baja de 600 grados Kelvin.

ϵ es nuestra emisividad de 0 a 1. Supongamos que es un radiador ideal en 1.

σ es una constante 5.67 × 10 − 8 .

Suponiendo que tuviera una bomba de calor futurista mejor que perfecta y pudiera utilizar los radiadores completamente hasta su límite material, para irradiar 2 GW, entonces, necesita 188 metros cuadrados de radiador en caso de falla (las barras comienzan a vaporizarse) o 903 metros cuadrados en el factor de seguridad.

De manera más realista, con una temperatura máxima de 600 grados Kelvin en los radiadores, se necesitan 56 mil metros cuadrados de radiador para irradiar los mismos 2 gigavatios.

Para que esas varillas sean efectivas, no pueden estar irradiando hacia su casco. Por lo tanto, aproximadamente la mitad del arco radiante de los cilindros protegidos del fuego por la parte delantera del casco no está disponible. Tampoco desea que se fotografíe la colmena porque los radiadores estarían interfiriendo entre sí. Si tiene dos conjuntos de 4 desplazados uno del otro verticalmente por el casco, cada uno debe tener 225 metros cuadrados. Fácilmente factible con picos de 100 metros de unos 2 metros de diámetro.

Para un bosque más realista con un límite de 600 K en el radiador, la misma configuración necesitaría 13,4 metros de diámetro.

Ah, pero no puede llevar la temperatura del refrigerante a ningún lado cerca de 2500 K. Está bombeando calor cuesta arriba; incluso si usa una bomba de calor ideal, aún desea un coeficiente de rendimiento superior a 1; de lo contrario, gastará más energía bombeándola que bombeando al refrigerante. Suponiendo que desea mantener el interior de la nave espacial a alrededor de 300 K, no podrá aumentar la temperatura del refrigerante por encima de 600 K o unos 330 ° C. Está bien, está rechazando el calor de un lado frío de un central térmica, digamos a 100° C; pero aún así, estarás limitado a tal vez 700 K o 430 ° C.
@AlexP No pensé en eso. Mis suposiciones: el grafito tiene una emisividad de 0,70 a 0,98 , por lo que supondré que es de alrededor de 0,90 y el área de superficie radiante es de 3000K . En otro comentario, en realidad dije que el área de radiación debería ser de 188 m² con un diámetro de 2 metros y una longitud de 20 metros. Conectando eso a P = A ⋅ ϵ⋅ σ ⋅*T⁴* , parece que esto irradiaría 777MW . Obtenga dos de esos en la parte superior e inferior, obtiene 1554MW o 1.55GW (menos algunos si están en ángulo).
@zertofi: Desafortunadamente, uno no puede escapar de la tiranía de Monsieur Sadi Carnot. No hay forma de llevar el refrigerante a una temperatura tan alta. (Si el coeficiente de rendimiento de la bomba de calor cae por debajo de 1, gasta más de 1 julio por cada julio de calor que bombea al refrigerante; y no puede hacer esto, porque la diferencia se acumulará como calor, anulando el propósito de el sistema de refrigeración.)
@AlexP Entonces, ¿es mejor que use algún tipo de gotita o radiador estándar?
@b.Lorenz Sí, por supuesto, el hábitat necesita radiadores, incluso la electrónica de alta potencia necesita mini radiadores (como el generador láser). Los radiadores cilíndricos serían para uso exclusivo del reactor.
@b.Lorenz: El punto es que no desea enfriar el lado caliente de la planta de energía; quieres enfriar el lado frío de la planta de energía. Cualquier planta de energía térmica tomará calor de una fuente caliente, extraerá algo de energía gratuita y descargará el calor residual en un sumidero frío. El lado frío de una central térmica no será tan caliente. Por debajo de 100° C, por lo general. Recuerde que a medida que el lado frío se calienta, la eficiencia disminuye. Entonces, al final, debe rechazar el calor a la temperatura del lado frío; digamos unos 400 K, lo que limitará su refrigerante a unos 800 K.
@AlexP Claro. Lo siento. Fui descuidado, y parece que pensaste en esto en tu primer comentario. Pero tal vez puedan sacrificar algo de eficiencia por una temperatura más alta. Pero esto aumentaría la cantidad de calor residual por energía útil... Interesante espacio comercial. Pero en Children of the Dead Earth, que simula estas mecánicas con bastante rigor, a menudo se ven radiadores que brillan intensamente.
@b.Lorenz: ¡Me tienes algo genial para Google! ¡Gracias! (Y el hierro brilla en rojo a partir de aproximadamente 460 °C, o 730 K. Permití que el refrigerante estuviera a 800 K, por lo que los radiadores realmente brillarían).
@b.Lorenz ¿Cómo funcionan los radiadores en Children of a Dead Earth a tales temperaturas entonces? La temperatura de salida del refrigerante en uno de mis reactores de 100 MW es de 2600 K (que es sodio), lo que facilita su enfriamiento porque necesita menos masa de radiador. ¿Me estoy perdiendo algo crítico?
@zertofi Realmente no entiendo tu pregunta. AlexP parece decir que las temperaturas de salida del refrigerante de varios miles de K no son prácticas, porque reducen la diferencia de temperatura entre el lado caliente y el lado frío del motor térmico, lo que perjudica la eficiencia. Dije que, según mi conocimiento, CoaDE simula tanto la eficiencia de conversión de Carnot como el enfriamiento de Boltzmann, y los jugadores todavía lo encuentran útil para construir rads de alta temperatura. Así que no hay nada malo con sus radiadores de 2600 K.
@b.Lorenz Oh, ya veo. Jaja, lo siento por mi falta de conocimiento sobre el tema.
@all Actualizaré la respuesta con temperaturas máximas realistas.

Los picos son terribles radiadores.

Estoy perplejo en cuanto a cómo esos picos podrían servir como radiadores de calor. Los picos tienen un área de superficie pequeña. Se parecen más a los descargadores de estática ; Pude ver cómo la carga estática acumulada podría ser problemática para una nave espacial, pero no creo que los descargadores de estática funcionen sin una atmósfera.

Si necesita radiadores y se encuentra en una situación en la que podrían romperse o explotar, hágalos prescindibles. Para irradiar calor, hay dos cosas clave: área de superficie (más = más superficie para irradiar) y reflectividad (si absorbe los rayos entrantes que contrarrestan algunos de los rayos salientes). La lámina de metal es una buena opción para esto y la lámina de oro se puede hacer muy delgada. Visualizo la radiación como algo así como mylar, una hoja de metal con respaldo de plástico. Se puede desplegar en una pancarta larga con el extremo caliente adentro y el extremo frío afuera. Si las cosas se están poniendo violentas, retrocede. Si se le disparan agujeros, todavía funciona. Si alguno se arranca, bueno. Queda mucho en el rollo. Puedes ir a buscar las partes perdidas más tarde y pegarlas de nuevo.

Una nave espacial que arrastra un largo estandarte dorado puede no parecer tan ruda como una que parece un arma medieval. Pero podrías poner anuncios en el banner. Tal vez anuncios de productos de aspecto resistente, como abogados de lesiones personales.

Nunca pensé que esos radiadores de punta serían geniales, especialmente mirando su ubicación en la jaula (¡su eficiencia sería tan baja debido a la interreflexión!) Lo que estaba planeando era un cilindro de 2 metros de diámetro y 20 metros de largo. . La superficie radiante tendría una superficie de unos 188 m².
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