Servus

Genau. Ich will einen Prüfstand bauen, mit dem man thermodynamische Daten verschiedenster Fluide aufzeichnen, und sie bei gleichen Randbedingungen miteinander vergleichen kann. Hierbei interessiert mich vor allem der dynamische Bereich.

Ne Skizze kann ich demnächst mal reinsetzen.

Gruß Marco

Wie soll das in der Realität eigenltich aussehen die Kühlung? Geht da ein Rohr um die Düse rum? Das wird dann ein bisschen schwer oder?

Hi,

es gibt da mehre Lösungen. Bei sehr großen Triebwerken kann man den Düsenkegel und die Brennkammer aus vielen kleinen Röhren zusammen schweißen. Wobei natürlich auf die Rorhquerschnitte geachtet werden muss.
Bei kleineren Triebwerken wird ein doppelwandiges Gehäuse genommen. Die Innenwand kann dabei sehr dünn werden, da ja im Kühlmantel ein etwas höherer Druck als in der Brennkammer herrscht. Sonst würde das ja nicht eingespritzt werden.
Vom Gewicht her geht es einigermassen. Wird auf alle Fälle leichter als eine kapazitive Kühlung.

Gruß

Neil

Die Brennkammerwände von Flüssigtriebwerken werden in der Regel aus einer beschichteten Kupferlegierung hergestellt. In seltenen Fällen auch Aluminiumlegierungen. Bei den beiden Metallen darf die Oberflächentemperatur der Brennkammerwände max. 200-300°C heiß werden, sonst treten Festigkeitsprobleme auf. Aus diesem Grund müssen Diese aktiv gekühlt werden.

Es geht natürlich auch anders:
Bei der Falcon1 z.B. verwenden sie Brennkammern aus temperaturfestem Stahl und kühlen diese ablativ.

Hab die 70% H2O2 und N2O noch mal in meinen Berechnungen verglichen. Sie liegen Leistungsmäßig gleich. Gleicher spez. Impuls bei identischem Brennkammerdruck und Massenstrom. Nur die Vebrennungstemperatur liegt beim H2O2 um einiges niedriger als beim N2O. Temperaturunterschied ca. 400-500K.

Gruß Marco

Geändert von Zaphod am 08. März 2007 um 13:19

Das kann man so weit Abkühlen das die Brennkammer Innenwand max. 300°C hat?? Bei so hohen Verbrennungstemperaturen??

Wenn der Werkstoff ne hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, der Wärmeübergangswiderstand klein und die Wärmekapazität des Kühlmediums groß genug ist, dann kann man auch große Wärmeströme aus der Brennkammer abführen.
Da spielen noch weitere Faktoren ne wichtige Rolle. Wie Strömungsgeschwindigkeit, Strömungsart (laminar oder turbulent), Massenströme, etc... am Ende darf der Druckverlust in den Kühlkanälen aber auch nicht all zu groß werden.

Es gibt darüber hinaus auch noch die Filmkühlung. D.h. Treibstoff wird im Überschuss ins Triebwerk gepumpt aber gezielt an die Brennkammerinnenwände gerichtet. Durch das verdampfen des Flüssigkeitsfilm wird der Verbrennungprozess räumlich eingedämmt. Die hohen Wärmeströme erreichen die Brennkammerwände nun im abgeschwächten Zustand. Das kann man sich wie einen flüssigen Liner vorstellen.

Gruß Marco

Geändert von Zaphod am 09. März 2007 um 12:13

Hi,

WvB hat früher seine Triebwerke aus ALuminium gebaut. Da muss die Wandtemperatur noch niedriger sein. Spätere Triebwerke wurden dann noch zusätzlich eloxiert, was den Wärmeübergangswiderstand von Brennkammer zu Brennkammerwand vergrößert hat. So gesehen ist Alu ganz toll. Alu hat einen sehr kleinen Wärmewiderstand, das oxid aber ein sehr hohen. Dazu kommt, dass das Oxid sehr hohe Temperaturen aushält. Es wäre also ein guter Werkstoff für ein Amateurtriebwerk, zumal es sehr gut bearbeitet werden kann.
Das Vulcan Triebwerk der Ariane 5 hat die Brennammerwand aus Kupfer. Das leitet noch besser und kann höhere Temperaturen verkraften als Aluminium. Da sich hinter dern Brennkammerwand Kühlkanäle befinden, wird das weiche Kupfer relaitv gut gestützt. Der Druck ist auf beiden Seiten ja fast identisch. Somit muss es nicht sehr dick ausgelegt werden. Due Außenseite der Kühlkanäle hingegen müssen den Innendruck stand halten. Dafür sind die aber schon viel kühler.
Interesant ist, das anscheinend alle Triebwerke mit der Treibstoffmenge zum kühlen auskommen. Es wird kein zusätzliches Kühlmittel benötigt. Bei der A4 wurde z.B. Wasser mit beigemischt weil die Triebwerke durchgebrannt sind. Das ergab zufälliger weise noch einen höheren Impuls.
Bei einem Amateurtriebwerk kann man evtl. auch eher eine nicht optimale Verbrennung anstreben mit geringeren Brennkammerdrücken. Dann braucht man zwar mehr Sprit, der kühlt dann aber eine nicht ganz so heiße Reaktion. Dazu kommt dann noch, das die Gase in der Brennkammer weniger dicht sind und somit weniger Wärme leiten können.
Es wäre mal intersant zu wissen wie man da den Wärmeüberang bestimmt. Die Aufnahmefähigkeit der Treibstoffe ist relativ einfach zu bestimmen. Die Endtemperatur darf nicht den Siedepunkt überschreiten. Somit kann man über die Wärmekapazität gehen. Aber wieviel Wärme tritt in die Brennkammer ein?

Gruß

Neil

Die Wärmemenge läßt sich relativ leicht berechnen. Z.B. so:

1 Mol (H2) ca. 2g
1 Mol (O2) ca. 32g
1 Mol (H2O) ca. 18g

2 x (H2) + (O2) = 2 x (H2O) //2 x (2g) + (32g) = 2 x (18g)

Verbrennungsenergie:
Beim Wasserstoff ist das noch einfach zu berechnen...

1 Mol (H2O) Wasserdampf ca. 242kJ

2 x 242kJ = 484kJ Verbrennungsenergie, wenn 2 Mol Wasserdampf entstehen

Wenn man weiß, wieviel Treibstoff sekündlich verbrannt wird, das Mischungsverhältnis feststeht, und die Oberflächengröße der gesamten Brennkammerinnenseite kennt, kann man das überschlagsmäßig berechnen. Was man nicht so einfach berechnen kann, wieviel des Treibstoffs innerhalb der Brennkammer zur Reaktion kommt und welche Reaktionsprodukte überhaupt entstehen. Das macht unterm Strich an der Energiebilanz sehr viel aus. Wenn bei der Verbrennung CO2 entsteht, gibs ca. 394kJ Wärme, beim CO nur 110kJ

Die Strahlungswärme darf man dabei auch nicht vergessen.

Gruß Marco

Geändert von Zaphod am 11. März 2007 um 15:34

Zitat:

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Wenn man weiß, wieviel Treibstoff sekündlich verbrannt wird, das Mischungsverhältnis feststeht, und die Oberflächengröße der gesamten Brennkammerinnenseite kennt, kann man das überschlagsmäßig berechnen. Was man nicht so einfach berechnen kann, wieviel des Treibstoffs innerhalb der Brennkammer zur Reaktion kommt und welche Reaktionsprodukte überhaupt entstehen. Das macht unterm Strich an der Energiebilanz sehr viel aus. Wenn bei der Verbrennung CO2 entsteht, gibs ca. 394kJ Wärme, beim CO nur 110kJ

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Es sollte im optimalen Fall alles in der Brennkammer umgesetzt werden. Du hast aber eines vergessen, der größte Teil der freigesetzten Energie wollen wir ja in Bewegungsenergie umsetzen. Das bedeutet, das schon mal ein Teil der Reaktionsenergie in Druck umgesetzt wird.
Wo ich eher die Probleme sehe ist der Wärmeübergangswiderstand von dem Gas in der Brennkammer zu der Brennkammerwand. Ich denke da werden nur Versuche weiter helfen.

Gruß

Neil

Das Rechenbeispiel sollte nur eins verdeutlichen, wie man die maximale Wärmemenge berechnen kann. Beim planen eines Erstlingstriebwerks ist es gut zu wissen, wie hoch Diese theoretisch maximal liegen könnte; statisch gesehn. Dann kann man auf alle Fälle sicher sein, das sie praktisch immer drunter liegen wird. Darauf aufbauend werden dann weitere Berechnungen angestellt, um genauere Daten zu bekommen. Anhand der Berechnungen wird ein Experimentaltriebwerk gebaut und holt so dann die absoluten Daten. Mit diesen empirisch ermittelten Daten werden die Berechnungsmethoden mit Korrekturfunktionen versehen und beim planen eines evtl. flugfähigen Triebwerks angewendet.

Das Problem mit der Umsetzung der Verbrennungsprodukte liegt in den hohen Verbrennungstemperaturen. Da läßt sich nur ein Teil des Treibstoffs direkt umsetzen. Der Rest hat soviel Energie, das diese hin und her reagieren können; auch mit der umgebenen Atmosphäre. Die Temperaturen in der Brennkammer sind z.B. für die direkte CO2 Bildung zu hoch, es bildet sich zumeist erst am Ende bzw. außerhalb der Düse.

Gruß Marco

Geändert von Zaphod am 12. März 2007 um 15:46