Uso del propulsor de cohetes para la refrigeración del motor.

¿Por qué el propulsor espacial líquido es un buen refrigerante para motores? Estaba investigando la boquilla y la cámara de combustión con enfriamiento regenerativo en el Merlin 1D cuando descubrí esto. Sé que las tuberías están construidas alrededor de la cámara de combustión y la boquilla, pero no sé cómo el propulsor las enfría.

¿Es relevante observar que, a diferencia de, digamos, un motor de automóvil, el refrigerante es de ciclo abierto? Se usa una vez para enfriar el motor y luego se quema y se desecha. No se trata de un circuito de refrigeración cerrado, para el que seguramente serían mejores otros fluidos.
Tiene el doble efecto positivo. 1/ El propulsor utilizado como refrigerante ayuda a enfriar los motores. 2/ El propulsor es precalentado por los motores, lo que aumenta el rendimiento del motor, ya que se alcanza una mayor temperatura y velocidad de salida de los gases propulsores, en comparación con el propulsor frío.

Respuestas (5)

Realmente, no hay nada particularmente especial al respecto.

Cualquier líquido que fluya a través de las tuberías en la pared del motor alejará el calor del motor a medida que se calienta. Obviamente, algunos líquidos serán más efectivos que otros. (Además, algunos propelentes no funcionarán porque obstruirán las tuberías o explotarán, pero el RP-1 está especialmente formulado para evitar esto).

Sin embargo, con los cohetes, puede quemar el propulsor calentado en el motor, lo que ahorra energía ya que el calor que se pierde al enfriarse no se desperdicia. Esto también (lo que es más importante) evita que necesite un suministro separado de refrigerante y un radiador enorme para deshacerse del calor.

Es especialmente conveniente que el motor del cohete requiera un gran flujo volumétrico de propelente, lo que significa que se puede transferir una gran cantidad de calor fuera de las paredes de la cámara de combustión.
Básicamente, necesitaría llevar una cantidad de enfriamiento que iguale la cantidad de combustible, ¡lo cual es completamente prohibitivo! Con un refrigerante de mejor rendimiento, puede optimizar la cantidad al 50 % o al 20 %. El 20 % seguiría rondando las 100 t, mucho más que la carga útil. (Esto supone que no puede irradiar el calor lo suficientemente rápido, por lo que el enfriamiento aún tendría que ser de circuito abierto).
@Peter solo porque tiene tanta capacidad de enfriamiento disponible no significa que la necesite. Sin embargo, funciona muy bien con la necesidad de vaporizar el combustible para quemarlo. Debe inyectar suficiente calor en la masa de combustible para superar la entalpía de vaporización. Si no haces eso en la pared del motor, tienes que hacerlo en la cámara de combustión, donde se filtrará la energía del empuje. Pero entonces aún tendrías que enfriar la chaqueta...

La capacidad calorífica volumétrica de los líquidos es mucho mayor que la de los gases. Se necesita mucha más energía para calentar un cierto volumen de agua que el mismo volumen de aire. La densidad de los líquidos es mucho mayor que la de los gases, por eso pueden transportar mucha más energía térmica.

Por lo tanto, un líquido que fluye a través de una tubería se lleva mucho más calor que un gas que fluye a través de la misma tubería a la misma velocidad.

Para enfriar la cámara de combustión, el combustible líquido que circula por los conductos se lleva el calor y se calienta. No debe calentarse demasiado para que siga siendo un líquido sin burbujas de gas.

¡Porque es energía 'gratis' para tomar!

En un cohete, tiene combustibles líquidos que deben vaporizarse para quemarse correctamente. Para vaporizar un líquido, necesita agregarle energía térmica: específicamente su calor latente/entalpía de vaporización , que es bastante considerable. La entalpía provoca un aumento de temperatura práctico cero: la sustancia sigue estando a la misma temperatura; ahora es vapor en lugar de líquido.

Si no hace nada más (digamos que tiene enfriamiento externo de la boquilla), esta entalpía debe provenir del fuego en la cámara de combustión. Es decir, la entalpía de vaporización está "robando" energía que de otro modo se usaría para el empuje. La energía robada es un gran problema; la ecuación del cohete es dura .

Piense en el calor en un automóvil. Claro, podrían hacer que el motor haga girar un generador y generar calor eléctrico resistivo, pero eso sería una carga para el motor. El radiador del motor ya está tirando la energía residual de la refrigeración del motor... eso es gratis. Sin impacto en la economía de combustible o el rendimiento.

Por lo tanto, incluso si la tobera estuviera hecha de indestructium ... la oportunidad de obtener "energía gratis" enfriando la tobera del motor es una ganancia para la eficiencia. Al agregar calor al combustible o al oxidante allí , requerirá menos entalpía de vaporización cuando llegue a la cámara de combustión, y eso significa más empuje. Gratis.

Cómo capturar esa energía, sin hervir el "refrigerante"

Eso sí, hacer que se convierta en vapor en la camisa de enfriamiento de la boquilla sería un gran problema.

Pero tenemos algo trabajando a nuestro favor. Hay bombas de alta presión que elevan el combustible y el oxidante desde la presión nativa en los tanques del cohete hasta una presión mucho mayor para inyectarlos en la cámara de combustión. El aumento de la presión de un líquido también aumenta su punto de ebullición . Entonces, esta presurización le permite agregar energía al combustible/refrigerante sin que hierva en las tuberías.

Entonces, la presurización lo ayuda a "adelantarse" a la entalpía, al permitirle precargar parte de la entalpía en el combustible presurizado.

Pero el combustible utilizado para la refrigeración del motor no debe vaporizarse dentro de los conductos o canales de refrigeración. Las burbujas de gas dentro del líquido reducirían el transporte de calor. Por lo tanto, la temperatura debe ser inferior al punto de ebullición. Otro problema sería el aumento extremo de volumen y presión si se vaporiza una parte sustancial del líquido.
@Uwe Buen punto, lo abordaré con otro párrafo.
El calor extraído de la cámara y la boquilla por refrigeración líquida se reutiliza en la cámara, por lo que quedó libre. Pero se pierde la energía necesaria para bombear el combustible a través de los canales de refrigeración, al menos la energía perdida en la turbina para accionar la bomba.
@Uwe Sí, pero si tuviera una forma alternativa de enfriar la boquilla, ¿ no necesitaría esas bombas de combustible de alta presión ? ¿Sería suficiente la presión natural del tanque para alimentar la cámara de combustión del cohete?
Necesita esas bombas de combustible de alta presión para mantener una alta presión en la cámara de combustión. Si la presión natural del tanque es suficiente para alimentar la cámara de combustión del cohete, la presión de la cámara sería demasiado baja para obtener una velocidad de escape rápida. Para aumentar la presión natural del tanque, necesita tanques mucho más pesados ​​para resistir la presión. Por supuesto, necesita más gas de presurización, lo que aumenta el peso muerto.
Casi nunca necesita vaporizar el propulsor. Por lo general, es suficiente aerosolizarlo, lo que requiere mucha menos energía.

Solo dos breves comentarios sobre las otras excelentes respuestas:

El enfriamiento de la pared no es gratis: lo que sucede es que usted (puede) tener una reducción significativa en la presión de la cámara (dependiendo del tamaño de la cámara), reduciendo su empuje y eficiencia. También puede haber algunos efectos de segundo orden en la eficiencia de la combustión cuando se elimina el calor del proceso. Entonces, si pudiéramos hacer funcionar un motor con paredes adiabáticas, sería absolutamente ventajoso.

Los fluidos supercríticos no hierven: además, todos los motores de cohetes actuales funcionan a presiones de cámara que exceden las presiones críticas de sus propulsores. Dado que la presurización se produce antes de entrar en los canales de refrigeración, no puede producirse estrictamente una "vaporización" a presiones supercríticas, ya que ya no hay punto de ebullición. Sin embargo, a presiones casi críticas, puede ocurrir algo similar, 'pseudo ebullición', con resultados similares.

[editar: abordar algunos comentarios de mármol orgánico]

Puede respaldar esta afirmación con algunas referencias o cálculos: "Lo que sucede es que tiene una reducción significativa en la presión de la cámara, lo que reduce su empuje y eficiencia".
Francamente, no tengo ninguna publicación en la cabeza, por lo que esto se basa más en mi experiencia personal al ejecutar estas simulaciones. Si observa modelos de cámaras de combustión, como Mascotte, DLR Lampoldshausen, PennState, vería una reducción de ~10 % en la presión de la cámara en las simulaciones si tuviera en cuenta la transferencia de calor en comparación con las condiciones límite adiabáticas. Si considera el gas de la cámara y reduce su temperatura en la pared, disminuye su volumen significativamente, pero es más complicado que con la combustión y el flujo de la boquilla.
Esa es una gran información. Sin embargo, supongo que estas son cámaras bastante pequeñas. Mi experiencia con motores más grandes no concuerda con una gran reducción.
Podría ser, buen punto! La relación superficie/volumen es ciertamente mayor en las cámaras pequeñas, por lo que extraerá mucha más energía en relación con la que tiene en el volumen de la cámara en comparación con los motores a gran escala.

La velocidad a la que se transfiere el calor de una superficie depende de la capacidad de transferencia de lo que sea que toque su superficie y la velocidad a la que se lleva ese calor de la superficie, creando así un gradiente de calor que extrae más calor de la superficie más rápido. (eso es tan simple como podría decirlo sin palabras técnicas sofisticadas)

Los combustibles para cohetes que se usan comúnmente tienen buenas propiedades de transferencia de calor y son líquidos, por lo que se pueden bombear muy rápidamente de una superficie caliente, llevándose así el calor, esto sirve para precalentar el combustible para la combustión y reducir el desperdicio de combustible como Bueno.