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!
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.
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!
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.
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.
