¿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.
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.
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.
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.
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.
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]
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.
steve linton
Poutnik