Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og du accepterer, at Teknologiens Mediehus og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, job og tilbud m.m. via telefon og e-mail. I nyhedsbreve, e-mails fra Teknologiens Mediehus kan der forefindes markedsføring fra samarbejdspartnere.
rumfart på den anden måde cs banner bloghoved

Nitrogen-fordamper

Kære læsere,

I sidste uge fik vi en dejlig stump med posten. Den er fra PH Spaanteknik som endnu engang har hjulpet os med noget CNC bearbejdning. Denne gang er det Jakob der har brugt en del timer på at hjælpe os, tusind tak for det!

Illustration: Thomas Pedersen

Manifold fræset i rustfast 304 hos PH Spaanteknik.

Men hvad har Jakob så fræset til os? Jo, han har faktisk lavet den første prototype på noget der skal sidde i vores Spica-raket. Det er en lækker gasmanifold i rustfast stål (304). Som det tydeligt ses, så er den fra starten tegnet med henblik på CNC fræsning. Det ville have krævet ret mange forskellige opspændinger på rundbordet på vores egen lille Deckel fræser at lave det der.

Og hvad skal den så bruges til? Ja, det er næppe særlig nemt at se, men den er til varmeveksleren på Spicas BPM100 motor. Som I nok husker så fløj Nexø II med en 300 bar helium tank, som vi brugte til at holde trykket oppe i brændstoftankene. Tanken var at gøre det samme på Spica. Men med ca. 2.400 liter brændstoftanke, så skal der bruges rigtig, rigtig meget trykgas. Hvis vi skal op på 20 bar i tankene, så skal vi bruge ca. 48.000 standard liter (SL) gas. Nexø II havde 600 SL helium om bord, så der skal bruges en del af de dyre komposittanke, hvis man går den vej. Så vi prøver noget lidt smartere.

Ideen er er tage trykgassen med på flydende form i stedet. Vi har også tidligere set at nitrogen er udmærket at tryksætte med, så vi skifter ved samme lejlighed fra helium til nitrogen. Nitrogen har en udvidelsesfaktor på ca. 700 fra væske til gas, så de 48.000 SL kan altså medbringes i form af 68,5 liter flydende nitrogen. For at gå fra flydende nitrogen og til gas skal der naturligvis tilsættes noget energi (varme) men det har man ofte ret meget af i en raketmotor. Den lækre løsning er altså at tage varme ud af motoren til at fordampe nitrogen. Det giver dog et kompliceret samspil mellem motor og tryksætningssystem og ikke mindst så giver det er tryksætningssystem som kun kan testes ved en fuld motortest. Så langt vil vi ikke gå.

Vores system vil i stedet bestå af en separat brænder, som giver den nødvendige varme til at fordampe nitrogen. Og når vi nu alligevel er i gang med at varme, så varmer vi gassen yderligere op, så den ”fylder noget mere” og hiver derved ikke blot en faktor 700 i udvidelse ud af nitrogen men nærmere en faktor 1000. Dermed ryger vi ned og skal blot bruge omkring 50 kg nitrogen til at drive brændstoffet med.

Med en brændtid på lige omkring 50 sekunder, hvis vi kører fuld skrald hele vejen til MECO, så skal vi altså fordampe 1 kg nitrogen per sekund. Og derudover vil vi også gerne varme det op til 100 grader eller så. Det giver sammenlagt et energiforbrug på 500 kW. Ethanol har en brændværdi på omkring 30 MW/kg. Vi fortynder vores med 25% vand, så brændværdien er nok kun omkring 22 MW/kg. Skal vi hive 500 kW ud af sådan en brænder skal vi i runde tal brænde 20 gram brændstof i sekundet. Nu opnår vi selvfølgelig ikke fuld omsætning fra brændværdi til afsat effekt i den flydende nitrogen og netop effektivitet er sådan noget vi nemmest tester os til. Ud fra ovenstående er det dog næppe særlig klart hvordan manifolden indgår i sådan en brænder og varmeveksler, så lad os tage et kig på Thomas Madsens design i Solidworks. Først et kig på det samlede system. Vi ser her selve brænderen i midten og to varmevekslere. Det hele passer naturligvis indenfor Spicas diameter på 950 mm. At der er to varmevekslere skyldes at der er én til brændstoftanken og én til LOX-tanken, så man kan styre deres tryk individuelt.

Illustration: Thomas Madsen

Tager vi et kig inden i den ene varmeveksler ser men et mindre virvar af rør. I disse rør vil nitrogenen løbe frem og tilbage omkranset af varmevekslerens yderkappe. Der er 70 meter rør inden i hver varmeveksler!

Illustration: Thomas Madsen

Og så kommer vi endelig til manifolden. I den ene ende af hver varmeveksler sidder der nemlig sådan en manifold, som simpelthen blot lader nitrogen strømme fra ét sæt rør og til det næste sæt rør på en tur mere gennem varmeveksleren. På den måde får vi det nødvendige overfladeareal der skal til for at fordampe og varme 1 kg nitrogen per sekund.

Illustration: Thomas Madsen
Illustration: Thomas Madsen

I de kommende par uger står den altså på TIG-svejsning til den helt store guldmedalje, når manifolden skal svejses til alle rørstykkerne. Det bliver et mindre kunstværk til sidst og det bliver super spændende når vi kommer til at teste den. Som det ses er der ikke andet køling i systemet end den varme nitrogenen optager. Det betyder at under drift så bliver både brænder og varmeveksler formentlig rødglødende. Det bliver et ganske spektakulært syn. Den kan i første omgang drives via BPM5 teststanden, om end dens brændstoftanke er voldsomt overdimensionerede til formålet. I første omgang vil vi nok vælge at køre vand igennem varmeveksleren fremfor nitrogen og blot måle vandets exittemperatur. Men hurtigt derefter skal vi have den testet med nitrogen.

Thomas Pedersen er civilingeniør fra DTU fra 2006 og har en Ph.D. indenfor mikro- og nanoteknologi fra DTU Nanotech, og er nu ansat samme sted som seniorforsker. Thomas har bygget raketter siden 1999 og blev en del af Copenhagen Suborbitals i 2009. Han er et af flere medlemmer af Copenhagen Suborbitals, der skriver på denne blog.
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Jeg har forstået det sådan at helium er en bedre trykgas end nitrogen pga. nitrogens tendens til at blande sig med oxygen også selvom oxygen er i væskeform og nitrogen er gas.

Hvordan ser det ud med argon som trykgas?

Spændende med varmeveksleren selvom det måske ikke er raketvidenskab. Jeg ser frem til en test af den. Hvordan regnes termiske belastning for stål/rør/samlinger/svejsninger? Eller prøver I jer bare frem?

  • 0
  • 0

I'm guessing you mean the swirlers - they are for injecting the fuel and oxidizer into the combustion chamber, and they are swirling the liquids to ensure proper mixing.

The nitrogen is only there to pressurize the tanks, so that will force the oxidizer into the combustion chamber - it doesn't need swirlers. The nitrogen is unreactive anyway so swirlers wouln't change a thing, other than adding a bit of resistance to the flow.

  • 4
  • 0

Vi har tidligere lavet direkte sammenligning mellem nitrogen og helium på BPM5. Helium er marginalt bedre. Men ikke så det står mål med den langt højere pris. Argon har vi ikke forsøgt med.

Med hensyn til performance og belastning så bliver det noget med at prøve sig lidt frem. Varmeveksleren er ikke udsat for særlig stort tryk men temperaturen bliver nok 600-700C.

  • 3
  • 0

Hvis man er bekymret for at Nitrogen gassen skal kondensere og blande sig med det flydende Oxygen, så bliver det næppe bedre med Argon.

Kogepunkter ved atmosfærisk tryk:

Kogepunkt Oxygen: -183C (90.2K)
Kogepunkt Nitrogen: -196C (77.4K)
Kogepunkt Argon: -186C (87.3K)

Det giver kun 3graders temperatur forskel mellem argon og oxygens kogepunkter og det bliver ikke ret meget bedre når man sætter systemet under tryk.


kilde: Integration of Evaporative Gas Turbine with Oxy-Fuel Combustion for Carbon Dioxide Capture (in International Journal of Green Energy, Hu et al)

  • 4
  • 0

The liquid Oxygene can also be expanded 800 times. Can it be used instead of nitrogen in the oxygen tank?

Yes. It is called VaPak and is way more simple than all these extremely complex and heavy heat exchanger solutions with belonging burner and electronic pressure control. VaPak only requires a coaxial tank to ensure that the gaseous O2 (in the inner tank) newer becomes warmer than the liquid O2. The pressure characteristic is almost perfect with a little drop as the rocket gets lighter and gets less air resistance, and it is based on the laws of nature and therefore cannot fail.

Here are a few links:

http://www.holderaerospace.com/downloads/T...

http://www.holderaerospace.com/downloads/T...

I have also suggested the method long time ago in this paper in danish:

http://www.innovatic.dk/knowledg/diverse/R...

However, although others have been able to make it work as the links from Holder Aerospace clearly show, CS claims that it will create insurmountable problems with dual-phase flow in the injector, but for some reasons, exactly the same problems will "of course" not occur to a much larger scale in their heat exchanger, which also has liquid input, but gaseous output! In for example a boiler in a power plant, the evaporation is done on top of the boiler - not in the boiler tubes as this would almost stop the flow and melt the tubes.

I don't know why CS always choose the most complex solutions instead of trying the simplest ones first like the ones I have suggested in my paper, but it is of cource their decision and the reason why I have stopt posting here as it usually does not make any sense to discuss sulutions, which are so far apart - except for a very few cases like this, where nobody seems to want to answer your very good question and it perhaps is reasonable with a warning about dual-phase flow in the heat exchanger tubes.

  • 3
  • 5

What keep the gaseous O2 from condensing if it is at LOX temperature and pressure?

That the energy released during condensation is exactly the same as the one needed to evaporate.

When the gaseous O2 perform work by forcing LOX through the nozzle it will cool down due to conservation of energy. If it start out cold it will condense and pressure will plummet.

No, not plummet, but be reduced gradually as the curves clearly shows. The "engine", which pushed LOX out, is the heat content of the LOX. If GOX is warmer than LOX, it first has to cool down, which will lead to a pressure drop, before VaPak starts to work. This is the reason for the coaxial tank, which prevents GOX from being heated by the sun light and the ambient temperature.

PS. We have discussed VaPak many times before, and I have explained it in my paper and have nothing new to add, and I will therefore stop all further explanations and discussions here. It does not make sense to try to convince anybody.

  • 2
  • 5

Start af brænderen.
Dejligt med denne opdatering.
Det virker da ret sejt. Næsten nummeret før en turbopumpe, der drives af en afledt del af motorens udstødning.

Det kan vist lade til, at brænderen skal startes alene ved de tyngdegenererede tryk fra de fyldte tanke?
Det bliver måske først efter sidste test, at man kan fastlægge, hvornår under countdown brænderen skal tændes, så LOX- og fuel-tryk bliver de rette til ignition i BPM100-motoren?

  • 1
  • 0

Fra bloggen:

For at gå fra flydende nitrogen og til gas skal der naturligvis tilsættes noget energi (varme) men det har man ofte ret meget af i en raketmotor. Den lækre løsning er altså at tage varme ud af motoren til at fordampe nitrogen. Det giver dog et kompliceret samspil mellem motor og tryksætningssystem og ikke mindst så giver det er tryksætningssystem som kun kan testes ved en fuld motortest. Så langt vil vi ikke gå.

Det virker som en noget tynd argument for en separat brænder.

Set fra flydende nitrogen synspunkt er der masser af varme 2 steder på en raket. I raketmotoren og i alkoholtanken.
Ingen af delene diskuteres.

Dybest set er nitrogefordamperen en simpel varmeveksler og bør kunne beregnes forholdsvis præcist.

Hvis man vil bruge varme fra motoren er der en udfordring i kølebehovet. Men her kunne ma måske lave noget smart ved først sætte tryk på kølekappen efter motorstart, sådan at problemet med implodering af motor begrænses og motoren kan laves stukturelt enklere.

  • 0
  • 0

Hvis man kunne holde samme tryk i LOX og alkoholtanken ville designet være væsentlige enklere. Hvad skulle der til for at muliggøre dette udover en restriktion i afgangsiden på den liquid, der har brug for den laveste tryk?

  • 0
  • 0

Hej Niels,

Du har ret i at det ville være ønskeligt at kunne tryksætte tankene til ens tryk. Desværre er der en lang række parametre der gør det besværligt.

De to væsker har forskellig massefylde og er placeret i tanke i forskellige højder. Det resultere i to forskellige væskesøjletryk, hvor differensen stiger med systemets acceleration. Læg hertil forskelle i tryktab i rør og ventiler og livet begynder at blive besværligt.

Dertil kommer at det er stort set umuligt at producere en injektor som giver præcist de masseflow som er ønsket. Dette skyldes blandt andet ændringer i massefylde pga temperaturudsving. Dette er specielt et problem for alkoholen som bruges til at omstrømningskøle motorkammeret, da temperaturen af alkoholen er koblet til forbrændingstemperaturen som er koblet til forholdet mellem iltningsmiddel og brændstof samt det samlede masseflow af disse. Derved er systemet blevet yderst komplekst og vi har derfor brug for kunne regulere det.

Den nemmeste måde at regulere systemet er at tryksætte tankene separat og regulere tanktryk ved at måle tryk og temperatur lige inden injektoren. Vi kan nu fin tune masseflow ved at regulere tanktryk, samtidig med at der bliver kompenseret for alle tryk tab undtagen injektorens tryktab. Vi kan dog bestemme injektor tryktab eksperimentelt ved vandtest.

Håber det besvarer dit spørgsmål.

Mvh,
Jeppe Nielsen, DSC og CS medlem.

  • 2
  • 1
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten