DE2202291C3 - Einrichtung zum thermischen Aufbereiten flüssigen, insbesondere monergolen, Treibstoffs - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum thermischen Aufbereiten flüssigen, insbesondere monergolen, Treibstoffs.

Allgemein bekannt ist eine katalytische Aufbereitung flüssigen Monergols in Gasgeneratoren verschiedenster Ausführung. Sämtlichen Generatorausführungen dieses Bautyps ist ein Katalysatorbett gemein, dem die insgesamt aufzubereitende Menge flüssigen Monergols fein zerstäubt zugeführt wird. Im Katlysatorbett erfolgt sodann unter hoher Wärmeentwicklung die angestrebte Monergolzersetzung in gasförmige Produkte.

Zu den Nachteilen katalytisch betriebener Gasgeneratoren zählt die Tatsache, daß das Katalysatorbett verhältnismäßig voluminös sein muß, um den an es gestellten Forderungen voll und ganz gerecht werden zu können. Voluminöse Gasgeneratoren führen nämlich bei einer Vielzahl von Einrichtungen und Maschinen /u erheblichen Einbauschwierigkeiten. Der Fall ist dies insbesondere bei Raketen und anderen Lufl- und Raumfahrtgeräten, bei denen bekanntlich die Einbauraumfrage ein entscheidendes Kriterium darstellt. Außerdem sind die Anschaffungspreise für die zumeist aus hochwertigen Metallen oder sogar Edelmetallen bestehenden Katalysatoren empfindlich hoch.

Aus Ersparnisgründen wird deshalb vielfach auf eine andere bekannte Aufbereitungsart für flüssiges Monergol, die thermische Zersetzung desselben, zurückgegriffen.

Zur kontinuierlichen Gestaltung solch eines Zcrsctzungsvorgangs bedarf es allerdings einer fortwährenden Heizung des Generators mit Fremdwärme, was energieaufwendig und umständlich ist, oder einer mehrfachen Umlenkung bereits entstandener gasförmiger Zersetzungsprodukte im Generatorinnern, damit IeI/-tere einen Teil der bei ihrer Entstcheung freigesetzten Wärme — direkt oder indirekt — auf neu eingespeistes flüssiges Monergol übertragen können. Diese Art der Wärmeübertragung erfordert jedoch wiederum relativ geräumige Einrichtungen. Außerdem hat die wiederholte Umlenkung hohe Druckverluste in der Strömung zur negativen Folge. Vorstehende Nachteile treffen mehr oder weniger auch für Einrichtungen zum Ver

dampfen brennbarer Flüssigkeiten zu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine in der Konstruktion einfache und in der Anschaffung billige, vielseitig verwendbare Einrichtung eingangs genannter Gattung zu entwickeln, welche sich den bekannten Einrichtungen gegenüber bei gleicher Leistung durch ein merklich reduziertes Bauvolumen und wesentlich geringere Strömungsverluste auszeichnet.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch ein System in Strömungsrichtung des zu zersetzenden bzw. zu verdampfenden Treibstoffs sich erstreckender, sogenannter »heat pipes« mit stromaufwärts gelegener Kondensator- und stromabwärts gelegener Verdampferzone.

Mit »heat pipes« werden in der einschlägigen technischen Literatur längliche, insbesondere rohrförmige Behältnisse bezdehnet, die mit kapillaren Strukturen, wie poröser Keramik oder engmaschigem Geflecht aus feinen Drähten, ausgekleidet sind und kondensierbaren Dampf, beispielsweise Natriumdampf, enthalten. Wie bereits an anderer Stelle angedeutet, fungiert das eine Behältnisende als Verdampfer, das andere als Kondensator. Der Dampftransport vom Verdampfer zum kälteren Kondensator wird dabei von der aus dem herrschenden Temperaturunterschied resultierenden Dampfdruckdifferenz aufrechterhalten. Den bei kontinuierlichem Betrieb erforderlichen Kondensattransport in entgegengesetzter Richtung stellt die Kapillarwirkung der Behältnisauskleidung sicher.

Die soeben beschriebenen »heat pipes« sorgen dafür, daß in der erfindungsgemäßen Einrichtung flüssige Treibstoffe bzw. Monergole mit hohem Wirkungsgrad kontinuierlich verdampft bzw. thermisch zersetzt werden, und das nach nur einmaliger Fremdaufheizung ihrer Verdampferzonen.

Letztere werden nämlich, wenn die »heat pipes« in Ausgestaltung der Erfindung gänzlich in einem Gasgenerator mit einem dem Einlaß gegenüberliegenden, insbesondere düsenförmigen Auslaß angeordnet sind, nach erfolgter einmaliger Fremdanheizung ständig von der Zerfallswärme bereits zersetzten Monergols auf einem vorgegebenen Temperaturniveau gehalten. Daraus resultiert — wie bereits erwähnt — im Innern der »heat pipes« ein Dampfstrom zu den kälteren Kondensatorzonen, wo der kondensierende und als Kondensat durch die Kapillaren zu den Verdampferzonen zurückkehrende Dampf auf der Außenseite vorbeiströmendes Monergol entsprechend aufheizt. »Heat pipe«-Anordnungen dieser Art lassen eine universelle Verwendung der kontinuierlich anfallenden Monergolzersetzungsprodukte zu.

Statt der bei einer Monergolzersetzung frei werdenden Zerfallswärme kann ohne weiteres auch die bei einer nachfolgenden Verbrennung eines zuvor durch Zersetzen bzw. Verdampfen aufbereiteten Treibstoffs frei werdende Wärmeenergie zum Erzeugen eines von Verdampfer- zu Kondensatorzone gerichteten Dampfstroms in den »heat pipes« herangezogen werden. Der Fall ist dies beispielsweise, wenn gemäß einem weiteren ausgestaltetenden Erfindungsmerkmal die »heat pipes« teils in einen Gas- bzw. Dampfgenerator mit oder" ohne auslaßseitiger Klemmung, teils in eine sich an den Generatorauslaß anschließende Brennkammer hineinragen. »Heat pipe«-Anordnungen der letztbeschriebenen Art empfehlen sich vor allem für luftatmende Mischtriebwerke, beispielsweise kombinierte Flüssigkeitsraketcn-Staustrahltriebwerke.

Wie die vorstehenden Ausführungen zeigen, ge-

schieht bei sämljichen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Einrichtung die thermische Treibstoffaufbereitung mittels eines Wärmestroms, welcher dem Strom des aufzubereitenden Treibstoffs entgegengerichtet ist, ohne ihn in irgendeiner Weise negativ zu beeinflussen. Dieser positive Sachverhalt macht die bei den bekannten Einrichtungen der anmeldungsgemäßcn Gattung meist praktizierte, mehrmalige Treibst off umlenkung im Geneiratorinnern überflüssig. Mit der Treibstoffumlenkung kommen auch die dieser anhaftenden Nachteile, wie sperrige Bauweise und hohe Druekverluste in der Treibstoffströmung iü Fortfall, was die erfindungsgemäße Einrichtung unter anderem für Raketen und andere Luft- und Raumfahrtgeräte hervorragend geeignet macht.

Die Erfindung wird an Hand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten und nachfolgend ausführlich beschriebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Ks zeigt in Form von Prinzipskizzen

F i g. 1 einen Gasgenerator für die thermische Zer-Setzung flüssigen Monergols und

Fig.2 einen Generator, der sowohl für die thermische Zersetzung als auch Verdampfung flüssigen Treibstoffs hervorragend geeignet ist.

Wie erwähnt, zeigt F i g. 1 einen für die thermische Zersetzung eines flüssigen Monergols bestimmten Gasgenerator 1. Eingespeist wird das zu zersetzende Monergol über eine Förderleitung 2 und einen die vordere Behälterstirnwand durchdringenden Einspritzkopf 3. Als Auslaß für die gasförmigen Zersetzungsprodukte dient eine dem Einspritzkopf 3 gegenüberliegende, zentrische Düse 4. Im Innern 5 des Gasgenerators 1 befindet sich ein System von »heat pipes« 6. Von diesen »heat pipes« 6 sind lediglich fünf beispielsweise dargestellt, und zwar aus Gründen der Übersichtlichkeit. Aus denselben Gründen ist auch von einer Wiedergabe ihrer radialen Abstützungen abgesehen worden. Jede »heat pipt,« 6 besieht — wie der Längsschnitt der mittleren zeigt — aus einem allseitig geschlossenen Rohr 7 und einer porösen Auskleidung 8, die sich mit Ausnahme der vorderen Stirnwand über die gesamte Rohrinnenfläche ersireckL Die poröse Auskleidung 8 ist mit Kondensat eines während des Betriebs über ihr befindlichen Dampfes 9 gesättigt. Dieser Dampf 9 entsteht am hinteren Rohrende 6a, das anfänglich mittels eines Anfeuerungssatzes 10 und anschließend durch die bei der derart eingeleiteten Monergolzersetzung freiwerdende Zerfallswärme beheizt wird. Auf Grund der herrschenden Dampfdruckdifferenzen strömt der Dampf 9 sodann vom hinteren zum kälteren vorderen Rohrende 6b, wo er sich verflüssigt und die anfallende Kondensationswärme an das außen am Rohr 7 entlangsirömende Monergol übertragen wird. Durch die Kapillarwirkung der porösen Rohrauskleidung kehrt das Kondensat — wie bereits an anderer Stelle erwähnt — wieder zur Verdampferzone 6a zurück.

F i g. 2 gibt einen Generator 11 wieder, der — wie an anderer Stelle bereits ausgeführt — sowohl für eine thermische Zersetzung als auch Verdampfung flüssigen Treibstoffs hervorragend geeignel ist. Ebenso wie der Gasgenerator gemäß F i g. 1 besitzt er einen von einer Förderleitung !2 versorgten Einspritzkopf 13, welcher die vordere Generatorstirnwand im Zentrum durchringt, und einen Auslaß für die Zersetzungs- bzw. Verdampfungsprodukte in Form einer zentrischen Düse 14. welche dem Einspritzkopf 13 gegenüberliegt. Hinsichtlich der Anordnung seiner »heat pipes« 16 im Generatorinnern 15 unterscheidet er (11) sich dagegen vom Gasgenerator gemäß Fig. 1. Die »heat pipes« 16, deren Aufbau und Wirkungsweise bereits an anderer Stelle ausführlich beschrieben wurden, sind zwar wiederum mit ihren Kondensatorzonen 166 dem Einspritzkopf 13 zugewandt, mit ihren Verdampferzonen 16a ragen sie jedoch in eine konzentrische Bremmkainmer 17 mit Schubdüse 18 hinein. In dieser Brennkammer 17 verbrennen die den Generator 11 über die Düse 14 verlassenden Zersetzungs- bzw. Verdampfungsprodukte — wie im vorliegenden Beispiel eines Flüssigkeitsra.keten-Staubstrahltriebwerks — mit während des Staubstrahlbetriebs in Pfeilrichtung 19 eintretender Luft.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   , 1. Einrichtung zum thermischen Aufbereiten fliis-'sigen, insbesondere monergolen, Treibstoffs, gekennzeichnet durch ein System in Strömungsrichtung des zu zersetzenden bzw. zu verdampfenden Treibstoffs sich erstreckender, sogenannter »heat pipes« (6,16) mit stromaufwärts gelegener Kondensator (66, 16b) und stromabwärts ge- ίο legener Verdampferzone (6a, 16a).
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die »heat pipes« (6) gänzlich in einem Gasgnerator (1) mit einem dem Einlaß (3) gegenüberliegenden, insbesondere düsenförmigen Auslaß (4) angeordnet sind.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die »heat pipes« (16) teils in einen Gas- bzw. Dampfgenerator (11) mit einem dem Einlaß (13) gegenüberliegenden Auslaß (14), teils in eine sich anschließende Brennkammer (17) hineinragen.