Плотность энергии.

[Гость 22]

Однако же, справедливости для - с михальчуковской идеей (при всех ея недостатках) сравнивать некорректно совершенно, поскольку сконденсированный продукт мы не собираем и не везём с собою в качестве ПН

А как часто это будет нужно? Во многих случаях собираемая вода - это балласт, который придется выкидывать.

Так что идея mihalchuk будет работать только для водовозов. И получается тогда узкоспециализированный вид транспорта, не пригодный для иных применений, кроме снабжения внеземных обитаемых станций/поселений.

да фиг его знает, окажется ли выгоднее...

Вот именно.

[Гость 22]

В габаритах - да, но не в массе: сопло просто извёрнуто, а там, где удаётся сохранить большее давление на стенках приходится платить большей их массой.

Оно обеспечивает более высокую степень расширения при тех же габаритах, что и обычное круглое. Поэтому масса собственно сопла скорее всего будет даже меньше массы круглого сопла с той же степенью расширения. Вот камера сгорания будет тяжелее, однако если это камера не аэроспайка, а, например, тарельчатого сопла, то превышение будет не столь существенным и компенсируется относительно малой массой сопла.

Однако, до 0 С всё-таки далеко.

Поправка: в существующих круглых соплах В соплах с центральным телом можно получить температуры даже ниже 0 C.

И во всех учебниках конденсацию рабочего тела в сопле считают паразитным процессом:...

Так и есть. Однако следует помнить, что в вакуумном двигателе конденсация пара происходит при гораздо более низкой температуре, чем 0 C (и даже не конденсация, а десублимация).

Поэтому в вакуумном двигателе с большой степенью расширения конденсат появится при более низких температурах, чем температура замерзания воды в теплообменнике. Следовательно, расширение газа через сопло является энергетически более выгодным процессом, чем нагрев компонентов в теплообменнике: теплообменник ограничен температурой 0 C (или около того - линия "лёд-жидкость" на фазовой диаграмме воды, близкая к вертикали), а сопло вакуумного двигателя ограничено линией "лёд-газ".

в моём случае излишнее тепло преобразуется в работу начиная от начала сопла при давлениях в десятки атмосфер, а самоконденсация начинает работать в конце сопла при давлениях в сотые или тысячные атмосферы.

Вот именно. В результате газ при истечении через сопло отдает больше энергии, чем газ/жидкость в теплообменнике.

Так что идеи в чём-то противоположны.

С точки зрения термодинамики - абсолютно идентичны.

Если же вы реально с карандашом и калькулятором попробуете посчитать сопло, то увидите, что полная энтальпия ни к чему: при больших перепадах температур (с 3800 до где-то 700-800 К) уже плывут все параметры и коэффициенты: теплоёмкость, показатель адиабаты и прочие, и приходится пользоваться таблицами, а они отражают процессы в газе, их экстраполяция даёт именно газовую динамику, в процессы конденсации в водороднике реально никто не вникал из практических соображений.

На самом деле, всё прекрасно расчитывается, в том числе количество конденсированой фазы и течение многофазного потока.

[Гость 22]

Я как-то посчитал для себя, что для понижения температуры вдвое требуется расширение (адиабатическое) в 10 раз.
То есть в этом примере расширение должно быть около 160. Сходится?

Если Вы говорите о геометрической степени расширения, то примерно сходится (у RL-10B-2 это ~260, у  RL-10A4-2 ~80). А если по давлению - то, как уже сказал Андрей Суворов, на самом деле намного выше.

[zyxman]

Я как-то посчитал для себя, что для понижения температуры вдвое требуется расширение (адиабатическое) в 10 раз.
То есть в этом примере расширение должно быть около 160. Сходится?

Если Вы говорите о геометрической степени расширения, то примерно сходится (у RL-10B-2 это ~260, у  RL-10A4-2 ~80). А если по давлению - то, как уже сказал Андрей Суворов, на самом деле намного выше.

А там не получится что газ нагреется от трения гиперзвукового потока о поверхность сопла?

[Гость 22]

А там не получится что газ нагреется от трения гиперзвукового потока о поверхность сопла?

Температура в пограничном слое всегда выше температуры ядра потока. В любом двигателе, независимо от степени расширения.

[zyxman]

А там не получится что газ нагреется от трения гиперзвукового потока о поверхность сопла?

Температура в пограничном слое всегда выше температуры ядра потока. В любом двигателе, независимо от степени расширения.

Насколько выше? И сколько доля массы этого пограничного слоя?

[Гость 22]

Насколько выше? И сколько доля массы этого пограничного слоя?

Температура много ниже температуры торможения, а толщина погранслоя достаточно мала для того, чтобы в расчетах истечения из сопла в первом приближении им пренебрегать (хотя в расчетах охлаждения камеры такое пренебрежение недопустимо даже в первом приближении).

[mihalchuk]

В габаритах - да, но не в массе: сопло просто извёрнуто, а там, где удаётся сохранить большее давление на стенках приходится платить большей их массой.

Оно обеспечивает более высокую степень расширения при тех же габаритах, что и обычное круглое. Поэтому масса собственно сопла скорее всего будет даже меньше массы круглого сопла с той же степенью расширения. Вот камера сгорания будет тяжелее, однако если это камера не аэроспайка, а, например, тарельчатого сопла, то превышение будет не столь существенным и компенсируется относительно малой массой сопла.

А вот это мне не казалось очевидным. Есть ли какие-то выкладки на этот счёт?

Однако, до 0 С всё-таки далеко.

Поправка: в существующих круглых соплах В соплах с центральным телом можно получить температуры даже ниже 0 C.

И во всех учебниках конденсацию рабочего тела в сопле считают паразитным процессом:...

Так и есть. Однако следует помнить, что в вакуумном двигателе конденсация пара происходит при гораздо более низкой температуре, чем 0 C (и даже не конденсация, а десублимация).

Поэтому в вакуумном двигателе с большой степенью расширения конденсат появится при более низких температурах, чем температура замерзания воды в теплообменнике. Следовательно, расширение газа через сопло является энергетически более выгодным процессом, чем нагрев компонентов в теплообменнике: теплообменник ограничен температурой 0 C (или около того - линия "лёд-жидкость" на фазовой диаграмме воды, близкая к вертикали), а сопло вакуумного двигателя ограничено линией "лёд-газ".

С этим в целом можно согласиться, заметив только, что энергия конденсации воды гораздо больше энергии перехода из жидкого в твёрдое состояние.

в моём случае излишнее тепло преобразуется в работу начиная от начала сопла при давлениях в десятки атмосфер, а самоконденсация начинает работать в конце сопла при давлениях в сотые или тысячные атмосферы.

Вот именно. В результате газ при истечении через сопло отдает больше энергии, чем газ/жидкость в теплообменнике.

Так что идеи в чём-то противоположны.

С точки зрения термодинамики - абсолютно идентичны.

А вот здесь стоит рассмотреть разницу с точки зрения термодинамики. У вас: имеет место конденсация/сублимация в охлаждённом газе, процесс в хорошем приближении можно считать равновесным. У меня: конденсат разбрызгивается в горячий газ, то есть, имеем явно неравновесную термодинамическую ситуацию.

На самом деле, всё прекрасно расчитывается, в том числе количество конденсированой фазы и течение многофазного потока.

Ну, кто же спорит? Речь шла о том, что такие расчёты на практике редко востребованы.

[Гость 22]

А вот это мне не казалось очевидным. Есть ли какие-то выкладки на этот счёт?

Есть даже практический пример:
РД0126Э с тарельчатым соплом: http://www.kbkha.ru/?p=8&cat=12&prod=54
РД0126 с соплом Лаваля: http://www.kbkha.ru/?p=8&cat=12&prod=53

Тяга и масса двигателей одинаковы, при этом давление в КС и УИ у тарельчатого сопла выше, а габариты намного меньше.

Однако я не понял, к чему сравнивать сопла с центральным телом с обычными? Ведь в данном контексте их нужно сравнивать с двигателями с теплообменником! У последних нет никаких шансов выиграть "весовой спор" не только у обычных двигателей, но и у двигателей с соплами с центральным телом.

С этим в целом можно согласиться, заметив только, что энергия конденсации воды гораздо больше энергии перехода из жидкого в твёрдое состояние.

"Маршрут" превращения рабочего тела из исходного состояния в конечное в общем случае не имеет значения. Охлажденный до температуры десублимации газ на выходе из сопла имеет меньшую энергию, чем охлажденная до температуры замерзания вода на выходе из теплообменника. Поэтому общий энергетический эффект будет в пользу сопла, даже если в нем вообще нет процесса конденсации воды (на самом деле - благодоря этому .

А вот здесь стоит рассмотреть разницу с точки зрения термодинамики. У вас: имеет место конденсация/сублимация в охлаждённом газе, процесс в хорошем приближении можно считать равновесным. У меня: конденсат разбрызгивается в горячий газ, то есть, имеем явно неравновесную термодинамическую ситуацию.

И что даёт такое рассмотрение?

Речь шла о том, что такие расчёты на практике редко востребованы.

Наоборот: именно на практике все и всегда делают расчеты с учетом конденсированой фазы. Даже студенты для своих курсовых работ.

[mihalchuk]

А вот это мне не казалось очевидным. Есть ли какие-то выкладки на этот счёт?

Есть даже практический пример:
РД0126Э с тарельчатым соплом: http://www.kbkha.ru/?p=8&cat=12&prod=54
РД0126 с соплом Лаваля: http://www.kbkha.ru/?p=8&cat=12&prod=53

Тяга и масса двигателей одинаковы, при этом давление в КС и УИ у тарельчатого сопла выше, а габариты намного меньше.

Практические примеры мне известны, но они могут иметь технологическую основу. Например, трудности изготовления тонкостенного сопла и обращения с ним. Теоретически в первом приближении аналогичный двигатель с бОльшим давлением в КС будет иметь такую же массу, во втором, с учётом диссоциации и условий для ожлаждения КС и сопла - меньше. Как сравнивать сопла разных типов, я пока не имею уверенных представлений. Ссылаться на габариты неправильно, нужно брать площадь сопла. Но если у тарельчатого она будет меньше, то и профиль давления будет другой. Правильно было бы проинтегрировать давление по площади, тогда получим правильный результат. Но может быть у вас есть более простые аргументы, позволяющие наглядно объяснить, что массовые характеристики тарельчатого сопла принципиально лучше, чем у обычного? Вопрос, точнее, ответ для меня, да и не только для меня будет интересен.

Однако я не понял, к чему сравнивать сопла с центральным телом с обычными? Ведь в данном контексте их нужно сравнивать с двигателями с теплообменником! У последних нет никаких шансов выиграть "весовой спор" не только у обычных двигателей, но и у двигателей с соплами с центральным телом.

Вообще говоря, неосмотрительное заявление. Теоретически теплообменник может быть сколь угодно малым, кроме того, он может вытеснить газогенератор. Практически он, конечно, даст прибавку к массе двигателя, но, возможно, она окажется несущественной или меньше, чем эквивалентый прирост массы от наращивания сопла.

С этим в целом можно согласиться, заметив только, что энергия конденсации воды гораздо больше энергии перехода из жидкого в твёрдое состояние.

"Маршрут" превращения рабочего тела из исходного состояния в конечное в общем случае не имеет значения. Охлажденный до температуры десублимации газ на выходе из сопла имеет меньшую энергию, чем охлажденная до температуры замерзания вода на выходе из теплообменника. Поэтому общий энергетический эффект будет в пользу сопла, даже если в нем вообще нет процесса конденсации воды (на самом деле - благодоря этому .

С точки зрения термодинамики - да. Но при этом нужно соблюсти два условия: степень расширения должна быть достаточно большой, а на реальные массовые характеристики сопла - наплевать. Область возможной конкурентноспособности моей идеи - меньшие, додесублимационные степени расширения.

mihalchuk пишет:
 А вот здесь стоит рассмотреть разницу с точки зрения термодинамики. У вас: имеет место конденсация/сублимация в охлаждённом газе, процесс в хорошем приближении можно считать равновесным. У меня: конденсат разбрызгивается в горячий газ, то есть, имеем явно неравновесную термодинамическую ситуацию.

И что даёт такое рассмотрение?
А от него деваться некуда. Рассмотрим случай расширения газа, при котором конденсация в сопле ещё не началась. У вас на выходе из сопла будет газ, у меня газ + жидкость. Что лучше - можно поспорить, но ситуация явно разная.

[mihalchuk]

Так что идея mihalchuk будет работать только для водовозов. И получается тогда узкоспециализированный вид транспорта, не пригодный для иных применений, кроме снабжения внеземных обитаемых станций/поселений.

Рекомендую проанализировать, чего и сколько мы везём на низкую круговую орбиту. И тогда выяснится, что вода может заменить около 60% грузов. И тогда слово "узкоспециализированный" звучит оптимистично! Хотя это другая тема.

[Гость 22]

Практические примеры мне известны, но они могут иметь технологическую основу.

Разумеется, технологическую. Так всегда было и будет: доступная технология является одним из "общих условий" (тем самым, которое имеют в виду, говоря "при прочих равных") .

Ссылаться на габариты неправильно, нужно брать площадь сопла.

Габариты - еще одно "общее условие": от этого зависит сухая масса ступени.

Но может быть у вас есть более простые аргументы, позволяющие наглядно объяснить, что массовые характеристики тарельчатого сопла принципиально лучше, чем у обычного?

Повторяю: двигатель с теплообменником проигрывает двигателю без него. Именно об этом я и говорю. О тарельчатом сопле я напомил только для того, чтобы показать, что в обычных двигателях возможно достижение очень высоких степеней расширения при приемлемой массе.

Поэтому в данном контексте обычные двигатели с тарельчатым и круглым соплами (без дополнительных теплообменников) находятся по одну сторону "баррикад", а двигатель с теплообменником - по другую.

Вообще говоря, неосмотрительное заявление. Теоретически теплообменник может быть сколь угодно малым, кроме того, он может вытеснить газогенератор.

Ну и аргументы у Вас

Если так, то... теоретически сопло может иметь сколь угодно большую степень расширения и иметь сколь угодно малую массу Кроме того, оно может вытеснить газогенератор (собственно, это уже не теория - это уже произошло в пятидесятых годах 20 века).

Практически он, конечно, даст прибавку к массе двигателя, но, возможно, она окажется несущественной или меньше, чем эквивалентый прирост массы от наращивания сопла.

А может, и не окажется...

А если вдруг окажется равной (или даже немного меньше) прироста массы сопла, то и в этом случае обычный двигатель выигрывает - из-за меньшей сложности.

С точки зрения термодинамики - да. Но при этом нужно соблюсти два условия: степень расширения должна быть достаточно большой, а на реальные массовые характеристики сопла - наплевать. Область возможной конкурентноспособности моей идеи - меньшие, додесублимационные степени расширения.

Я уже говорил в самом начале: Ваша схема будет энергетически выгоднее только для двигателей нижних ступеней, в которых большое расширение невозможно.

Рассмотрим случай расширения газа, при котором конденсация в сопле ещё не началась. У вас на выходе из сопла будет газ, у меня газ + жидкость. Что лучше - можно поспорить, но ситуация явно разная.

Ну и что? Я по прежнему не понимаю, зачем нужно рассмотрение этих разных ситуаций.

[Гость 22]

Так что идея mihalchuk будет работать только для водовозов. И получается тогда узкоспециализированный вид транспорта, не пригодный для иных применений, кроме снабжения внеземных обитаемых станций/поселений.

Рекомендую проанализировать, чего и сколько мы везём на низкую круговую орбиту. И тогда выяснится, что вода может заменить около 60% грузов. И тогда слово "узкоспециализированный" звучит оптимистично! Хотя это другая тема.

А зачем ограничиваться только низкой круговой орбитой?

Сходите вот сюда: http://www.novosti-kosmonavtiki.ru/phpBB2/viewtopic.php?t=9677&start=0 и подсчитайте количество воды в грузах еще раз

[mihalchuk]

Вообще говоря, неосмотрительное заявление. Теоретически теплообменник может быть сколь угодно малым, кроме того, он может вытеснить газогенератор.

Ну и аргументы у Вас

Если так, то... теоретически сопло может иметь сколь угодно большую степень расширения и иметь сколь угодно малую массу

Сопло не может иметь сколь угодно малую массу - его порвёт внутренним давлением. :cry:

[mihalchuk]

Так что идея mihalchuk будет работать только для водовозов. И получается тогда узкоспециализированный вид транспорта, не пригодный для иных применений, кроме снабжения внеземных обитаемых станций/поселений.

Рекомендую проанализировать, чего и сколько мы везём на низкую круговую орбиту. И тогда выяснится, что вода может заменить около 60% грузов. И тогда слово "узкоспециализированный" звучит оптимистично! Хотя это другая тема.

А зачем ограничиваться только низкой круговой орбитой?

Сходите вот сюда: http://www.novosti-kosmonavtiki.ru/phpBB2/viewtopic.php?t=9677&start=0 и подсчитайте количество воды в грузах еще раз

Видимо, вы не представляете, зачем нужна вода:
http://www.energoobmen.ru/GSO.htm

[Гость 22]

Вообще говоря, неосмотрительное заявление. Теоретически теплообменник может быть сколь угодно малым, кроме того, он может вытеснить газогенератор.

Ну и аргументы у Вас
Если так, то... теоретически сопло может иметь сколь угодно большую степень расширения и иметь сколь угодно малую массу

Сопло не может иметь сколь угодно малую массу - его порвёт внутренним давлением. :cry:

Отчего же? Если применять "сколь угодно" прочные материалы... теоретически

К тому же, теплообменник тоже не может быть сколь угодно малым даже теоретически - разве что расход через него и теплообмен в нем тоже будут сколь угодно малыми. Но тогда зачем он вообще нужен?

В общем, повторяю: ну и аргументы у Вас

[Гость 22]

Видимо, вы не представляете, зачем нужна вода

Вы имеете в виду использование воды в качестве долгохранимого топлива, с последующим электролизом и заправкой многоразовиков прямо на орбите?

Ну, в принципе это возможно. Однако предлагаемый Вами ЖРД с теплообменником так и остается узкоспециализированным и пригодным только для водовозов.

[mihalchuk]

Отчего же? Если применять "сколь угодно" прочные материалы... теоретически

     

К тому же, теплообменник тоже не может быть сколь угодно малым даже теоретически - разве что расход через него и теплообмен в нем тоже будут сколь угодно малыми. Но тогда зачем он вообще нужен?

В общем, повторяю: ну и аргументы у Вас

Конечно, физические ограничения есть, но до них теплообменникам ещё далеко. Всё дело в умении и способности уменьшить толщину стенки между теплоносителем и рабочим телом. С её уменьшением падает и масса теплообменника. Это считалось:
http://www.energoobmen.ru/MKT.htm
, в конце. Расчёт производился при максимальном давлении, в этом случае придётся уменьшать и условный диаметр трубок, выигрыш получится за счёт сокращения их длины. Но такое условие не обязательно - при работе давление с обеих сторон стенок компенсируется, если с одного конца трубок привести разность давлений к нулю, то с другой она будет раза в 4 меньше максимальной. Есть и другие способы уменьшить массу(например, свернуть ячейки в спираль), но нужно изощряться в технологии.