liquid propellant rocket engine (Motor foguete Liquido) part10

EN3225 Propulsão Aeroespacial

Universidade Federal do ABC

Aula 10 Sistemas de alimentação

- Pressurização

EN 3255 Propulsão Aeroespacial


SISTEMAS DE ALIMENTAÇÃO DE COMBUSTIVEIS


Sistema de alimentação de propelentes

O sistema de alimentação de propelentes tem duas funções principais:

1. aumentar a pressão dos prolelentes.

2. alimentá-los para uma ou mais câmaras de combustão.

combustível oxidante


Sistema de alimentação de propelentes

A energia para executar estas funções vem de uma fonte de gás a alta pressão, bombas centrífugas, ou uma combinação dos dois.


Exemplo: sistema pressurizado

Gás pressurizante

combustível

oxidante


oxidante

Sistema com turbo bomba

Turbo bomba



Projetos de sistema de alimentação


PROJETO DE SISTEMA PRESSURIZADO


Objetivos .

• Escolher o gás pressurizante

• Suas propriedades físicas e termodinâmicas

• Condições de armazenamento

• Influências no restante do projeto

Sistema de alimentação do Ariane V


Considerações

1. Compatibilidade do gás pressurizante com os propelentes.

2. Simplicidade do sistema pressurizante.

3. Baixo peso molecular do gás pressurizante.

4. Baixa massa do sistema pressurizante.


Dados básicos

Dados do motor que afetam o projeto do sistema pressurizante:

1. Faixa de temperatura de operação. 2. Características dos propelentes (volumes e

pesos totais) 3. Volume total dos tanques. 4. Volume dos tanques não preenchido (“ullage”). 5. Volume restante dos propelentes no burnout. 6. Pressões de operação dos tanques. 7. Duração da operação dos motores.


Os vários detalhes do sistema pressurizante são expressos pelas relações apresentadas a seguir.

Eventualmente, algumas destas equações são de natureza empírica ou semi-empírica.

Aconselha-se ao projetista a confirmação dos parâmetros adotados via simulações e/ou experimentos.

Relações formais


Se a operação de pressurização for de curta duração ou se a temperatura do gás pressurizante é próxima do propelente, podemos usar a equação dos gases perfeitos:

Wg: quantidade de gás no tanque (N) PT: pressão no tanque (Pa) VT: volume de gás pressurizante no tanque (m3) M g: massa molecular do gás pressurizante

Tg: temperatura do gás pressurizante (K) R : constante dos gases perfeitos

Quantidade de gás pressurizante

g

gTT

gRT

VPW

M


Nos casos normais...

Se não for possível usar a aproximação de um gás perfeito, deve-se considerar o efeito dos seguintes fenômenos:

1. O pressurizante transfere calor para o propelente. 2. Uma fração do propelente é vaporizada. 3. Esta fração ocupa um volume no tanque. 4. O restante do volume livre é ocupado pelo pressurizante. 5. Este volume corresponde a uma certa massa de

pressurizante. 6. Pressurizante e vapor de propelente devem satisfazer a

condição de equilíbrio de troca de calor.


1. O calor total transferido

O calor total transferido entre os fluidos vale:

eu TTHAtQ

Q: calor transferido entre os gases (J) H: coeficiente de transferência de calor entre o pressurizante e o propelente (W/m2K) A: área de contato entre o pressurizante e o propelente (m2) t: tempo da operação (s)

Tu: temperatura do pressurizante no burnout (K) Te: temperatura do propelente (K)


2. Vaporização do propelente

O calor transferido pelo pressurizante aquece e vaporiza o propelente:

vupvveuplv TTChTTCWQ

Wv : peso do propelente vaporizado (N) Cpl : calor específico do pressurizante na fase líquida (J/kg K) Cpv : calor específico do pressurizante na fase gasosa (J/kg K) hv: calor latente de vaporização do propelente (J/kg) Tv: temperatura de vaporização do propelente (K)


3. Volume ocupado pelo vapor

A fração de propelente vaporizada ocupa um espaço dentro do tanque:

Vv : volume ocupado pelo vapor do propelente (m3) Z : fator de compressibilidade da mistura gasosa à temperatura Tu e pressão CPT no burnout. M p: massa molecular do vapor do propelente

T

uvv

P

ZRTWV

M p


4. Volume ocupado pelo pressurizante

O gás pressurizante ocupa o restante do volume no tanque:

Vg : volume ocupado pelo gás pressurizante no burnout (m3)

vTg VVV


5. Massa de gás pressurizante

O calor transferido pelo pressurizante aquece e vaporiza o propelente. Novamente podemos usar a equação dos gases:

u

ggT

gRT

VPW

M


6. Equilíbrio da troca de calor

O gás pressurizante e vapor do propelente devem satisfazer a condição de equilíbrio de troca de calor:

A equação de calor fica:

ugpgg TTCWQ

Cpg : calor específico do gás (J/kg K)

vupvvevplvugpgg TTChTTCWTTCW


O efeito das paredes: gás comprimido

• Ao expandir, o gás pressurizante esfria: as paredes do tanque perdem calor.

• Este efeito deve ser considerado para o cálculo da ação do gás pressurizante.


pressurizante Q

Q Q


O efeito das paredes: gerador de gás

• Ao ser gerado, o gás pressurizante esquensta: as paredes dos tanques redebem calor.


pressurizante Q

Q Q


Efeito das paredes

A equação de calor fica:

vupvvevplvW TTChTTCWQQ 1

QW1 : calor total transferido entre as paredes dos tanques e os

propelentes durante a missão.


Efeito das paredes

A condição de equilíbrio de troca de calor considerando o efeito das paredes fica:

2Wugpgg QTTCWQ

QW2: calor total transferido entre os gases pressurizantes e as

paredes dos tanques durante a missão.


Considerando tudo...

2Wugpgg QTTCWQ


1

2

Wvupvvevplv

Wugpgg

QTTChTTCW

QTTCW


Controle da temperatura do pressurizante

• Em alguns casos, as incertezas do sistema de pressurização podem ser significativamente reduzidas através de métodos de controle automático da temperatura do gás pressurizante na entrada do tanque de propelente.


Controle da temperatura do pressurizante

Controlador Sistema de

aquecimento

Sensor de temperatura

Temperatura de referência

desvio

Sinais de controle

Temperatura medida

+ -

T oC?

Temperatura do gás


Exemplo 1

Deseja-se utilizar He como pressurizante de um tanque de N2O4, do qual se conhecem as seguintes características:

Volume do tanque (desprezando-se o propelente residual) VT = 3,3697 m3

Área transversal média do tanque A = 1,85806 m2

Pressão do tanque PT = 1,13764 MPa

Temperatura do propelente Te = 288,889 K

Coeficiente de transf. de calor entre os dois fluidos H = 3,15444x10-6 W/m2K


Exemplo 1

Calcular: a) A quantidade de gás pressurizante e sua temperatura na saída do

tanque para uma operação única de 500 s. A temperatura de ullage no burnout é Tu = 388,889 K e as transferências de calor entre as paredes dos tanques e os fluidos é desprezível.

b) A quantidade de gás pressurizante e sua temperatura na saída do tanque para uma missão que consiste de vários períodos de queima, com um tempo toda de 18000 s. A temperatura média dos gases durante a missão é Tm = 292,222 K. O calor total transferido transferido entre as paredes dos tanques e o propelente é QW1

= -2110000 J. O calor total transferido entre o gás pressurizante e as paredes dos tanques é QW2

= -633000 J. A temperatura de ullage no último burnout vale Tu = 366,667 K.


Exemplo 1

Dados dos fluidos: N2O4 a 1,13764 MPa : Temperatura de vaporização: Tv = 3566,67 K Calor de vaporização: hv = 413999 J/kg Calor específico no estado líquido: Cpl = 1758,46 J/kg K Calor específico no estado gasoso: Cpv = 753,624 J/kg K Fator de compressibilidade: Z = 0,95 Peso molecular: 92 He: Calor específico: Cpg = 5233,5 J/kg K Peso molecular: 4


Resolução (a)

a) Calor total transferido entre o gás pressurizante e o propelente:

eu TTHAtQ

288,889388,8895001,85806103,15444 -6 Q

J 103,798 6Q


Resolução (a)

Quantidade de propelente vaporizada:

667356889388624753413999

889288667356461758107983 6

,,,

,,,W J, v

kg 6,84936vW

vupvveuplv TTChTTCWQ


Resolução (a)

Volume do pressurizante vaporizado:

3m 0,201899vV

MPa 1,1376492

)K 388,889)(molK Pam 8,314(95,0)kg 6,84936( -1-13

vV


Resolução (a)

Volume ocupado pelo gás pressurizante:

vTg VVV

0,201899 3,3697 gV

3m 3,16781gV


Resolução (a)

A massa de gás pressurizante:

kg 4,44067gW

8893883148

416781310137641 6

,,

,,Wg

Primeira parte da resposta (a)


Resolução (a)

A partir do calor desta reação:

ugpgg TTCWQ

)K 388,889(

K J/kg 5233,5kg 4,44067

J 103,798 6

gT

u

pgg

g TCW

QT

K 552,778gT Segunda parte da resposta (a)


Resolução (b)

b) Calor total transferido entre o gás pressurizante e o propelente:

emm TTHAtQ

288,889292,222180001,85806103,15444 -6 Q

J 104,5576 6Q


Resolução (b)

Quantidade de propelente vaporizada:


vupvvevpl

W

vTTChTTC

QQW

1

3566,67366,667753,624413999288,8893566,671758,46

2110000104,5576 6

vW

kg 4,53592vW


Resolução (b)

Volume do pressurizante vaporizado:

3m 0,12601vV

MPa 1,1376492

)K 388,889)(molK Pam 8,314(95,0)kg 4,53592( -1-13

vV


Resolução (b)

Volume ocupado pelo gás pressurizante:

vTg VVV

0,12601 3,3697 gV

3m 3,24228gV


Resolução (b)

A massa de gás pressurizante:

kg 4,83076gW

366,6673148

43,2422810137641 6

,

,Wg

Primeira parte da resposta (b)


2Wugpgg QTTCWQ

Resolução (b)

A partir do calor desta reação:

)K 366,667(

K J/kg 5233,5kg 4,83076

633000104,5576 6

gT

u

pgg

W

g TCW

QQT

2

K 572,222gT Segunda parte da resposta (b)


SISTEMAS DE ARMAZENAMENTO DE GÁS


Sistemas de gás pressurizado

• Sistemas de pressurização de gás armazenados são amplamente utilizados em várias combinações.

• O gás é normalmente armazenado em um recipiente a pressões que variam de 20 MPa a 35 MPa e é fornecido para o sistema de alimentação de propelentes através de um regulador.


Ar / N2

• Nos primeiros sistemas pressurizados, nitrogênio comprimido era frequentemente usado.

• Ar também foi muito utilizado ou mesmo ar (exemplo: V-2)

• Facilmente obtido, simplificando a logística e aprovisionamento.


Hidrogênio

• Usado em motores movidos a H2.

• Baixo peso molecular.

• Propelente – altamente inflamável.


Hélio

• Muito utilizado em sistemas pressurizados americanos e russos.

• Baixo peso molecular.

• Agente inerte, com muito baixo ponto de ebulição.


Requisitos do gás armazenado

• baixo peso molecular

• alta densidade sob condições de armazenamento

• o peso mínimo do gás residual

• elevada proporção de material de reservatório de armazenamento de stress a densidade permissível


Configurações

1. Sistema pressurizado sem aquecimento

2. Aquecimento via câmara de combustão

3. Sistema em cascata

4. Aquecimento dentro do tanque


1. Sistema pressurizado sem aquecimento

• Consiste num recipiente de armazenagem de alta pressão, uma válvula de corte e de início, e um regulador de pressão.

• O gás dirigido diretamente para os tanques principais de propelente.

Vantagem: grande simplicidade.

Desvantagem: peso do sistema é relativamente elevado devido à temperatura mais baixa e, portanto, o volume específico inferior do gás.

Gás pressurizado

Válvula de controle

Regulador

Tanques de propelente


2. Aquecimento via câmara de combustão

Gás pressurizado

Regulador



Trocadores de calor na câmara de combustão

Consiste em um reservatório de armazenamento de gás a alta pressão, uma válvula de controle, tubos permutadores de calor na superfície da câmara de combustão um regulador de pressão.

Os trocadores de calor são montados na seção divergente do bocal.

Vantagem: o aumento de volume do gás devido ao aquecimento reduz a massa requerida para a pressurização do tanque.

Desvantagem: uma quantidade considerável gás ainda permanece no tanque de armazenamento, ao final da operação do sistema.


3. Sistema em cascata

Gás pressurizado

Gás pressurizado

Gás pressurizado

Regulador Tanques de propelente


diafragma

diafragma

Trocadores de calor na câmara de

combustão

Os recipientes de armazenamento de gás a alta pressão têm tamanhos diferentes, e são divididos internamente por um diafragma flexível. O gás passa por trocadores de calor, uma válvula e um regulador de pressão. No final da operação, apenas o primeiro tanque contém gás, enquanto que os outros tanques estão quase vazios. Vantagem: diminui as perdas de aquecimento do gás. Desvantagem: elevado peso e complexidade.


4. Aquecimento dentro do tanque

• Consiste num recipiente de armazenagem de alta pressão, uma válvula de corte e de início, e um regulador de pressão.

• O trocador de calor é montado dentro do tanque de gás pressurizado.

Vantagem: gera gás a alta temperatura.

Desvantagem: o sistema de bombeamento e o tanque de gás pressurizado ficam mais complexos.

Gás pressurizado


Regulador



Etapas de projeto: quantidade de gás

Necessidade de gás para a pressurização

(aula 10)

Gás residual no tanque

Gás residual na tubulação e trocadores

de calor

Gás pressurizante

total


Etapas de projeto: fator de utilização

Um parâmetro para definir esta soma, é o fator de utilização do gás pressurizante, definido como a proporção entre a quantidade de gás necessário armazenado no tanque e a quantidade líquida de gás utilizado:

utilizado gás

necessário gásutf


Etapas de projeto: pressão

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

Tanque de gás

pressurizado

Entrada do trocador de

calor

Saída do trocador de

calor

Dutos Regulador Tanque de propelente

MPa


Etapas de projeto: temperatura

A temperatura do gás final no recipiente de armazenagem é calculada através de

n

n

P

P

T

T1

1

2

1

2

T1: temperatura inicial do gás no tanque (K) T2: temperatura final do gás no tanque (K) P1: pressão inicial do gás no tanque (Pa) P2: pressão final do gás no tanque (Pa) n: índice do processo de expansão politrópica. Para o hélio, considera-se n = 1,67.


Exemplo 2

Deseja-se projetar um sistema de pressurização usando hélio para pressurizar um tanque de oxidante com as seguintes características:

Faixa de temperatura no tanque no início: 278 a 311 K

Pressão de armazenamento no início: 31 MPa

A pressão tanque no burnout: 2,76 MPa.

Volume dos dutos a jusante do regulador: 0,0113267 m3

Volume dos trocadores de calor: 0,0283168 m3

Volume dos dutos entre o armazenamento dos tanques, trocadores de calor e regulador: insignificante

Reserva de gás pressurizante: 2%

Coeficiente de expansão isentrópica do hélio: n = 1,67


Exemplo 2

Assumindo um processo de expansão isentrópico, calcular a quantidade de pressurizante, o volume do tanque e fator de utilização para o caso (a) do Exemplo 1:

Massa de pressurizante necessária: Wgpress = 4,44067 kg

Temperatura de ullage no burnout: Tu = 388,9 K

Pressão do tanque: PT = 1,13764 Mpa

Temperatura superior limite no início: Tu = 311,1 K


Resolução

Assumimos que a temperatura e a pressão do gás pressurizante residual nas linhas a jusante dos reguladores após desligamento sejam as mesmas que as dos gases na ullage do tanque de propelente no burnout.

A massa de gás remanescente nos dutos, válvulas (e etc) vale

kg01587570

93883148

40113267010137641 6

,,,

,,W

dutosg

Volume dos dutos a jusante do

regulador TR

VPWgás

M


Resolução

Também assumimos que a temperatura do pressurizante residual nos trocadores de calor tem as mesmas condições da entrada do tanque de propelente: 552,8 K.

A pressão deve ser a mesma do hélio residual no seu tanque: 2,76 MPa.

Portanto, esta massa pode ser calculada por

kg0,0680389

8,5523148

40283168010762 6

,

,,W

trocg

Volume dos trocadores de

calor


Resolução

Cálculo da temperatura no tanque de pressurizante:

n

n

P

P

T

T1

1

2

1

2

n

n

P

PTT

1

1

212

67,1

167,1

6

6

21002,31

1076,28,277

T K1,1062 T


Resolução

Necessidade de gás para a pressurização

Gás residual no tanque

Gás residual na tubulação e trocadores

de calor

Gás pressurizante total

kg0,0680389trocgW

kg01587570,Wdutosg

Wgpress = 4,44067 kg

111063148

410762 6

,,

V, L

8,2773148

41031 6

,

VL


Resolução

0680389001587570

111063148

410762440674

8,2773148

41031 66

,,,,

V,,

,

V LL

3m1070380 ,VL Volume total de gás pressurizante:

TR

VPWgás

M

02,1

8,2773148

410703801031 6

,

,Wg

kg87,5gW

Reserva 2%


Resolução

Usando o limite superior da temperatura no início, o volume necessário do reservatório de armazenamento para a pressurização do oxidante é dado por:

41031

1,311314887,56

,Vu

P

TRWV

ugás

u M

3m1217620 ,Vu


Resolução

Cálculo do fator de utilização:

utilizado gás

necessário gásutf

4,44

5,87utf

325,1utf

Education

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