¿Cómo (realmente) los propulsores subenfriados reducen la cavitación dentro de las bombas turbo y facilitan la alimentación?

La cavitación está hirviendo, en este caso es causada por una presión reducida en la estela de las cuchillas. Un punto de ebullición es una combinación de 2 factores; calor y presión. Si no puede hacer nada con respecto a la presión reducida, puede manipular el otro factor, que es la temperatura. Un líquido puede permanecer en su estado líquido a una presión más baja si está más frío. Creo que la causa y efecto es clara. Puedes ver los gráficos en Wikipedia o incluso calcularlo aquí.

http://www.trimen.pl/witek/calculators/wrzenie.html

Esta respuesta se basa principalmente en el enlace NPSH Organic Marble compartido ( http://www.pumpschool.com/applications/NPSH.pdf ) y las diversas propiedades que puede inferir sobre LOX subenfriado.

• El subenfriamiento reduce la presión de vapor, lo que ayuda a prevenir la formación de burbujas.

• El subenfriamiento densifica el propulsor, que

  • permite velocidades de fluido más bajas a las mismas tasas de flujo másico, lo que

    • permite RPM más bajas de la bomba, lo que reduce la caída de presión en la estela del impulsor y, en consecuencia, reduce la incidencia de la formación de burbujas de vapor (y la gravedad del nuevo colapso, si lo hacen)

    • ayuda a reducir las pérdidas por fricción y el NPSH_A asociado

Sobre esta parte de la cita:

"También hace que... se deshaga de cualquier riesgo de cavitación para las bombas turbo y hace que sea más fácil alimentar una bomba turbo de alta presión si tiene un propulsor muy frío".

Simplemente no estoy de acuerdo con su interpretación de que "a pesar de la apariencia casual, este tipo generalmente elige sus palabras con mucho cuidado y deja claras sus distinciones". Esto se lee como un pensamiento, que decidió reformular sobre la marcha: el riesgo de cavitación está directamente relacionado con la facilidad de alimentación de la bomba.

Como ejemplo por contraste, esta publicación de archivo de Usenet sobre el alto riesgo de cavitación que dificulta las cosas, de http://yarchive.net/ac/cavitation.html :

Las bombas de líquido para propano (y refrigerantes) son muy fáciles de cavitar, ya que el vapor/líquido está en el mismo nivel o cerca de él, y la más mínima caída de presión (una bomba que intenta "succionar" líquido) creará enormes cantidades de gas flash y y cavitación de la bomba. Cualquier cosa como líneas de entrada de bomba de tamaño insuficiente, o tratar de succionar líquido cuesta arriba o a través de pantallas finas, etc., conduce a una cavitación extrema y destruye rápidamente una bomba. Una vez tuve que construir una unidad de refrigeración de 3 toneladas para subenfriar el líquido 40-50 grados debido al ataque tonto de alguien de colocar líneas de refrigerante líquido cuesta arriba en la entrada de la bomba y fue más fácil construir el subenfriador que cambiar la tubería. Ahora escuchan. El subenfriamiento redujo la cavitación de la bomba.

La frase:

"Subenfriamos el oxígeno y el metano para densificarlo, por lo que en comparación con... los propulsores que normalmente se usan cerca de su punto de ebullición en la mayoría de los cohetes, en nuestro caso cargamos los propulsores cerca de su punto de congelación, y eso puede resultar en una mejora de la densidad de hasta alrededor del 10 al 12 por ciento, lo que marca una enorme diferencia en los resultados reales del cohete".

"También hace que... se deshaga de cualquier riesgo de cavitación para las bombas turbo y hace que sea más fácil alimentar una bomba turbo de alta presión si tiene un propulsor muy frío".

editar: ¡ Esta respuesta a la pregunta " ¿Qué distingue fundamentalmente a la cavitación y la ebullición como fenómenos diferentes? " por un ingeniero mecánico que se describe a sí mismo y ex nuclear de la Marina de los EE. UU. es particularmente útil!

Fondo:

Algunos ejemplos de procesos que incluyen algún material que experimenta un cambio de fase de líquido a gas son evaporation, boilingy cavitation.

Como solemos verlo, la evaporación tiene lugar en un límite preexistente y, a menudo, estable entre un líquido y un gas. Incluso si las temperaturas son bajas y la presión es alta, la evaporación continuará lentamente hasta que se alcance la presión parcial del material que es el líquido en el gas. Entonces, si tiene agua a temperatura ambiente en el aire y ambos están a presión atmosférica, el agua continuará evaporándose hasta que la presión parcial del agua en el aire alcance la presión de vapor del agua en esas condiciones.

Pero la ebullición y la cavitación generalmente ocurren dentro de un líquido, no fuera o encima de él, por lo que dependen tanto de la temperatura como de la presión absoluta sobre el líquido, no solo de la presión parcial como en el caso de la evaporación.

En ambos casos, se produce una burbuja de vapor dentro del líquido. Cuando la presión de vapor ha aumentado por encima de la presión hidrostática local en el líquido mediante la aplicación de calor, generalmente lo llamamos ebullición, y cuando la presión hidrostática ha disminuido por debajo de la presión de vapor de manera transitoria o muy localizada, generalmente lo llamamos es cavitación.

Pero consideremos los efectos de la presión reducida y no la temperatura.

Si la presión hidrostática de un volumen de un líquido se reduce por debajo de su presión de vapor a granel, como en el caso de una cámara de burbujas o incluso un frasco de agua conectado a una bomba de vacío que tira casi una atmósfera de presión, el líquido hervirá. . Las burbujas pueden llegar a la superficie y liberar el vapor, o con el tiempo pueden volver a condensarse dentro del líquido, especialmente si se restablece la presión.

La nucleación real y el crecimiento de tales burbujas es un proceso complicado: los líquidos tienen una resistencia a la tracción al igual que los sólidos y, por lo general, los sitios de nucleación dominarán en la formación real de la burbuja, abriendo un agujero en el líquido, por así decirlo.

En ingeniería, el uso de la palabra cavitación generalmente se restringe a situaciones en las que la presión a granel del líquido no es por sí misma responsable de la formación de burbujas. En cambio, el término cavitación generalmente se refiere a una situación en la que hay una caída de presión muy localizada y transitoria por debajo de la presión de vapor. Casi inmediatamente después de que se forma la burbuja, las condiciones cambian y la presión vuelve a estar por encima de la presión de vapor. Si bien el proceso es complejo, una característica importante es la rapidez con la que la burbuja colapsa bajo la influencia de la mayor presión del líquido.

Los términos boilingy cavitationse refieren a fenómenos complejos que están relacionados pero son diferentes. La distinción es entre la evolución de la presión inmediatamente después de que se forme la burbuja. Conceptualmente podría haber un continuo de situaciones entre estos dos extremos, pero eso no significa que sean lo mismo .

Este video muestra un ejemplo de agua hirviendo usando un calentador de inmersión. La temperatura del elemento calefactor es mucho más alta que la del agua. Aproximadamente entre la 01:00 y las 02:00, los sonidos se vuelven cada vez más fuertes y, aunque se pueden ver algunas burbujas, el proceso que produce los sonidos es la producción y el colapso de burbujas de vapor en su mayoría invisibles. Si bien la temperatura en ciertos puntos del calentador es más alta que el punto de ebullición, tan pronto como comienza a formarse una burbuja, parte de la burbuja se expande hacia áreas más frías del líquido, lo que hace que el vapor se condense rápidamente.

Esto da como resultado un fenómeno similar a la cavitación, pero en una escala de tiempo algo más larga para que no dañe el elemento calefactor. El agua hirviendo no causará daños por cavitación.

La cavitación es mala porque el colapso rápido y violento de la burbuja es el resultado del cambio muy rápido en la presión con el tiempo o la distancia. Es esta rapidez y localización del colapso de la burbuja lo que generalmente determina si un fenómeno se llama ebullición o cavitación.

Subenfriamiento:

El subenfriamiento del propelente líquido introducido en una bomba turbo en un motor de cohete puede reducir la posibilidad de cavitación. A temperaturas más bajas, la presión de vapor es más baja y, por lo tanto, es menos probable que una velocidad de bomba de turbocompresor dada pueda producir una presión por debajo de este punto. Sin embargo, el subenfriamiento también aumenta significativamente la densidad, una de las principales razones por las que se está adoptando. Esto significa que la bomba turbo puede girar más lentamente para entregar la misma masa por unidad de tiempo. Una rotación más lenta significa menos cavitación incluso a una temperatura fija.