DE4410914C2 - Vorrichtung zum Abführen von Wärme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Vorrichtung zum Abführen von thermischer Energie in einer thermisch hoch beanspruch­ ten Struktur, bei der die anfallende Wärme in einer endothermen chemischen Reaktion umgesetzt wird.

Beim Wiedereintritt von Raumflugkörpern in die Erd­ atmosphäre sowie bei extrem schnell fliegenden Flug­ zeugen, sogenannten Hyperschallflugzeugen, treten hohe Wärmebeanspruchungen an Teilen der Außenhülle auf. So werden bei einem Hyperschallflugzeug vor allem die Flügelvorderkanten und die Flugzeugnase thermisch stark belastet. Eine Möglichkeit, diese Problematik zu be­ herrschen, besteht in der Verwendung sogenannter Ab­ lationsmaterialien, die die an den kritischen Stellen auftretenden großen Wärmemengen über größere Bereiche verteilen und so temperatursenkend wirken. Andere Lösungswege stellen die Verwendung eines aus Kacheln bestehenden Hitzeschildes oder die punktuelle Kühlung mit flüssigem Wasserstoff dar, der auch für den Antrieb des Raumflugkörpers verwendet wird.

Ablatives Material hat den Nachteil, daß es in einer vergleichsweise dicken Schicht aufgetragen werden muß, um das Innere zuverlässig vor zu großer Hitzeeinwirkung zu schützen. Zudem wird bei diesem Material die aero­ dynamische Oberfläche verändert, so daß sie von der vorausberechneten Form abweicht und sich eine veränder­ te Aerodynamik ergibt. Kacheln, wie sie beispielsweise beim Space-Shuttle verwendet werden, haben den Nach­ teil, daß auch bei ihnen eine relativ große Schicht­ dicke erforderlich ist und somit viel zusätzliches Gewicht transportiert werden muß. Eine direkte Kühlung der Flugkörperstruktur mit flüssigem Wasserstoff birgt wiederum das Problem in sich, daß dies bei niedrigen Temperaturen geschehen muß, da der verwendete Wasser­ stoff in kryogener Form vorliegt. Zwangsläufige Folge ist, daß durch eine Temperaturabsenkung an der Struktur die Wärmeeinleitung erhöht wird, wodurch wiederum der Bedarf an Kühlmittel steigt. Außerdem setzt dieses Kühlverfahren eine sehr gute Wärmeisolierung der Außen­ haut des Flugkörpers voraus, da die Temperaturen an den von der Kühlflüssigkeit, d. h. dem Wasserstoff, durch­ strömten Rohrleitungen nicht zu hoch sein dürfen.

Daneben ist aus der EP 01 33 066 B1 eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekanntgeworden, bei der ein geschichteter Plattenaufbau als Schutz oder Wärmeab­ leitschirm für den Bereich niedriger Temperaturen bis etwa 100°C vorgesehen ist. Bei dieser bekannten Vor­ richtung ist zwischen zwei Platten, von denen die eine thermisch beaufschlagt wird, eine reaktive Substanz angeordnet, die bei Erreichen einer bestimmten Tempera­ tur ein nicht brennbares Gas oder Dampf freisetzt. Als geeignete Substanz ist dabei Wasser vorgesehen und als ein mögliches Material für die äußere Platte des Schirmes ein solches, das mit dem Gas oder überhitzten Dampf eine endotherme Reaktion eingeht. Unter anderem wird für diesen Zweck in der EP 01 33 066 B1 Kohlen­ stoff vorgeschlagen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Ab­ führen thermischer Energie bereitzustellen, durch die auf einem vergleichsweise hohen Temperaturniveau eine möglichst große Wärmesenke geschaffen wird.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentan­ spruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung, die der Optimierung des Kühl­ prozesses dienen, sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Die Vorrichtung nach der Erfindung weist den Vorteil auf, daß die Kühlung bei nahezu konstanter Temperatur auf hohem Temperaturniveau erfolgt. Dadurch vergrößert die Kühlung nicht den Wärmestrom in die zu kühlende Struktur. Die Kühlung kann direkt an der thermischen Materialgrenze stattfinden, wodurch der Wärmestrom von außen in die Struktur wesentlich minimiert wird.

Besonders geeignet für eine Verwendung in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die sogenann­ te Wassergassynthese, die auf der Reduktion von Wasser durch Kohlenstoff gemäß der Reaktionsgleichung

H₂O + C + 118,7 MJ → CO +H₂

basiert. Die angegebene Wärmemenge von 118,7 Mega-Joule (MJ) bezieht sich auf ein kmol (= 18,015 kg) Wasser und ein kmol (= 12,01 kg) Kohlenstoff. Bei der Reaktion, die eines der ältesten Verfahren zur Darstellung von Wasserstoff (H₂) ist, entsteht ein kmol (= 22,414 m³ oder 2,016 kg) molekularer Wasserstoff. Bei der bekann­ ten Anwendung dieses Verfahrens, der Wassergassynthese im Hochofenprozeß, wird die für die Reduktion des Wassers erforderliche thermische Energie durch eine teilweise Verbrennung der eingesetzten Kohle gewonnen.

Bei einer Realisierung dieser endothermen chemischen Reaktion in der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ergibt sich der Vorteil, daß die aufgenommene Wärme nicht wieder abgegeben wird, da sowohl die Ausgangs­ als auch die Endprodukte dieses Prozesses stabil bzw. metastabil sind. Das Endprodukt ist ein gasförmiger Brennstoff, der bei einer Verwendung der Vorrichtung nach der Erfindung, beispielsweise in einem Hyper­ schallflugzeug als Treibstoff genutzt werden kann. Auf diese Weise kann durch das mitgeführte Kühlmittel, in diesem Fall Wasser, ein Teil des Treibstoffbedarfs gedeckt werden.

Anstelle einer Verwendung als Treibstoff ist aber auch eine Kühlung des entstehenden Reaktionsproduktes, z. B. durch kryogenen Wasserstoff als Sekundärkühlmittel, möglich. Bei geeigneter Abkühlgeschwindigkeit und even­ tuellem Einsatz eines Katalysators ist dann eine chemische Umwandlung dieses Reaktionsproduktes des Primärkühlmittels möglich. Dadurch wird zweierlei er­ reicht:

• - Die Umwandlung ist ein exothermer Vorgang; durch die Kühlung des Endproduktes mit kryogenem Wasser­ stoff, der in der Regel für den Hauptantrieb des Hyperschallflugzeuges benutzt wird, entsteht ein regenerativer Kühlkreislauf, der zu einer erheb­ lichen Treibstoffeinsparung führt.
• - Durch die Kühlung und chemische Umwandlung entsteht ein geschlossener Kühlkreislauf, da das Kühlmittel immer wieder regeneriert werden kann. Dadurch ist die spezifische Wärmeaufnahme theoretisch unend­ lich. Sie wird lediglich durch die Treibstoffmenge als Wärmesenke begrenzt.

Bei der Verwendung der Kombination von Wasser und Kohle ergeben sich allerdings nicht nur die auf die Masse bezogene höchste spezifische Wärmeaufnahme, die Nutzung der hohen Wärmekapazität des Wassers und seine hohe Verdampfungsenthalpie, die zusätzlich zu Kühlzwecken genutzt werden kann, sondern als weiterer Vorteil die Möglichkeit, mitgeführtes Brauchwasser und/oder das bei der Verbrennung in den Brennstoffzellen entstandene Wasser mit in den Kühlkreislauf einzubeziehen. Dieses Wasser ist in Raumfahrzeugen, wie beispielsweise dem Space-Shuttle, ohnehin vorhanden und kann auf diese Weise sinnvoll für eine Steigerung der mitzuführenden Nutzlast eingesetzt werden, die sich daraus ergibt, daß durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ein Großteil der Masse des ansonsten erforderlichen Hitzeschildes entfallen kann. Darüber hinaus ist die Kühlvorrichtung nach der Erfindung auch besonders gut für eine Verwendung in Wiedereintrittskapseln geeignet.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläu­ tert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Hyperschallflugzeuges in Draufsicht und

Fig. 2 bis 5 Details der in Fig. 1 dargestellten Anordnung.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Flugkörper 1, einem Hyperschallflugzeug, sind im Bereich der Vorderkanten und der Flugzeugnase Rohrleitungen 2, 3 eines Kühl­ systems verlegt, das nach dem Prinzip der Wassergas­ synthese arbeitet. Die in der Figur ausgezogen dargestellten Rohrleitungen 2 bilden einen Wasser­ dampf-/Wassergaskreislauf, während die gestrichelt dar­ gestellten Rohrleitungen 3 Bestandteile eines Wasser­ kreislaufs sind.

Der innere Aufbau der Rohr des Rohrleitungssystems 2 ist in drei unterschiedlichen Varianten in den Fig. 2 bis 4 dargestellt. Die Rohrwandungen 20, 30, 40 be­ stehen aus einem hochwarmfesten Material, beispiels­ weise einer Nickel-Basislegierung, Molybdän, Wolfram oder TZM (Titan-Zirkonstabilisiertes Molybdän). Der letztgenannte Werkstoff ist dabei wegen seiner leichten Bearbeitbarkeit und seiner guten Wärmeleitfähigkeit für diesen Verwendungszweck besonders gut geeignet. Das Innere der Rohre enthält eine Füllung 21, 31, 41 aus Kohlenstoff, der in das Rohr eingepreßt ist. In den Füllungen 21, 31, 41 sind Bohrungen 22, 32, 42 vorgesehen, die als Gasraum dienen. Eine weitere, in der Zeichnung nicht dargestellte Möglichkeit besteht darin, die Rohre mit Kohlenstoff-Kugeln zu verfüllen, wobei die zwischen den Kugeln vorhandenen Zwischenräumen als Gasraum dienen.

Das für den Kühlprozeß benötigte Wasser wird in einem Wassertank 4 mitgeführt. Von hier gelangt das Wasser in einen Verdampfungswärmetauscher 5, der den Wasser­ dampf-/Wassergaskreislauf mit einem separaten konven­ tionellen Kühlwasserkreislauf kombiniert, der aus den Rohrleitungen 3 besteht. Dieser Kühlkreislauf, der im Detail in Fig. 5 dargestellt ist, dient beispielsweise zur Kühlung von Bordgeräten mit hoher Wärmedissipation und/oder des Cockpitbereichs. Die Kühlleistung wird dabei über die isobare Wärmekapazität und Verdampfungs­ enthalpie des Wassers erreicht. Das durch das Rohr­ leitungssystem zirkulierende Wasser wird bei diesem Kühlprozeß in Dampf überführt. Der so entstandene Dampf kondensiert im Wärmetauscher 5 und führt dabei seiner­ seits das aus dem Tank 4 in den Wärmetauscher 5 ge­ langende Wasser in die Dampfphase über. Dadurch baut sich ein Druck auf, der den Wasserdampf durch die Gas­ räume 22, 32 bzw. 42 der Rohrleitungen 2 treibt. Sobald die Temperatur im Rohrinneren aufgrund von Wärmeein­ wirkung auf die Außenwand des Flugkörpers 1 den Wert von etwa 1000°C überschreitet, beginnt die Wassergas­ synthese gemäß der Reaktion

H₂O + C + 118,7 MJ → CO + H₂.

Die bei dieser endothermen Reaktion verbrauchte Wärme verhindert, daß die Temperatur im Inneren der Rohre auf Werte oberhalb von 1100°C ansteigt. Die Querschnitte der Gasräume 22, 32 bzw. 42 sind dabei so bemessen, daß die Strömungsgeschwindigkeit und Verweilzeit des Wasserdampfes in den Rohren groß genug ist, um eine möglichst vollständige Umsetzung des Wasserdampfes zu erzielen. Gegebenenfalls kann dies auch über einen mehrfachen Umlauf des Wasserdampfes erreicht werden.

Das bei dem Kühlprozeß entstehende Wassergas, ein Gemisch aus Wasserstoffgas und Kohlenmonoxid, das in einer Temperatur von ca. 1100°C vorliegt und im Auf­ fangbehälter 6 zwischengespeichert wird, besitzt einen hohen Brennwert. Es kann daher als Treibstoff für den Hauptantrieb des Flugkörpers 1 oder für einen bord­ internen Stromgeneratur verwendet werden. Eine optimale Nutzung dieses Reaktionsproduktes ergibt sich, wenn dieses Wassergas in die Nachexpansionsrampe des Haupt­ antriebes des Flugkörpers 1 eingeleitet wird. Hier führt es infolge der Nachexpansion zu einer zusätz­ lichen Schuberhöhung, ohne daß spezielle Einrichtungen oder Einstellungen des Hauptantriebssystems erforder­ lich wären.

Sofern das entstandene Wassergas nicht verbrannt werden soll, kann es durch den als Treibstoff für den Haupt­ antrieb mitgeführten flüssigen Wasserstoff gekühlt werden. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn das etwa 1100°C heiße Wassergas zunächst an einer thermisch nicht so stark beanspruchten Stelle entlanggeführt wird, wobei es einen Teil seiner Wärmeenergie durch Strahlung abgibt und sich dadurch auf etwa 900°C ab­ kühlt, wodurch es wesentlich einfacher zu handhaben ist. Unterhalb dieser Temperatur beginnt das im Wasser­ gas enthaltene Kohlenmonoxid sich gemäß dem Boudouard- Gleichgewicht unter Wärmeabgabe in Kohlenstoff und Kohlendioxid zu zersetzen. Dieser Prozeß kann gegebe­ nenfalls durch einen Katalysator beschleunigt werden. Bei dieser Umsetzung gemäß

CO + CO → C + CO₂ + 160 MJ

werden bei einem Einsatz von 2 kmol (= 28 kg) etwa 160 MJ frei, was einer spezifischen Energie von etwa 5,7 MJ/kg CO entspricht.

Die bei der Reaktion freiwerdende Energie kann über eine Aufheizung des für den Hauptantrieb vorgesehenen Wasserstoffs ebenfalls für eine Leistungssteigerung des Hauptantriebes genutzt werden. Diese wird erzielt, indem aufgrund der Treibstoffvorwärmung die erforder­ liche Brennkammertemperatur mit einer geringeren Treib­ stoffmenge erreicht wird.

Der bei der Umsetzung entstehende Kohlenstoff sowie das Kohlendioxid können anschließend wieder für den Kühl­ prozeß im Hochtemperaturbereich genutzt werden. Dabei wird der Kohlenstoff, der bei der Reaktion als feiner Staub entsteht, in dem aus Kohlendioxid und Wasserstoff bestehenden Gasgemisch verwirbelt und so in diesem Gas­ gemisch suspendiert.

Wird dieses Gas-Kohlenstoffgemisch wieder in die heißen, mit Kohlenstoff gefüllten Rohre eingeleitet, so setzt sich unter Umkehrung der obigen Reaktions­ gleichung das in ihm enthaltene Kohlendioxid mit dem im Gas suspendierten oder im Rohr vorhandenen Kohlenstoff gemäß

C + CO₂ + 160 MJ → CO + CO

um, wobei sich die angegebene Energiemenge wieder auf jeweils ein kmol C und CO₂ bezieht. Dieser Reaktions­ ablauf kann gegebenenfalls mehrfach wiederholt werden.

Die in Fig. 4 dargestellte Möglichkeit der Bereitstel­ lung der erforderlichen Förderleistung, um den Wasser­ dampf durch die mit Kohlenstoff gefüllten Rohre zu treiben, mittels eines Verdampfungswärmetauschers 5 ist dabei insbesondere für Wiedereintrittskapseln, die über kein eigenes Antriebssystem verfügen, von Vorteil. Die für die Verdampfung notwendige Energie wird dabei durch die Kühlung von Bordgeräten mit hoher Wärmedissipation und durch die Kühlung von Bereichen der Kapselober­ fläche gewonnen. Der sich aufbauende Druck im Wärme­ tauscher dient als Antriebskraft für den Wasserdampf­ transport. Erhöht sich z. B. beim Wiedereintritt der Wärmestrom auf die Kapseloberfläche, so führt dies zu einer erhöhten Verdampfungsrate und damit zu einer erhöhten Förderleistung. Auf diese Weise wird der zur Bereitstellung von Kühlleistung erforderliche Wasser­ dampfdurchsatz durch die mit Kohlenstoff gefüllten Rohre selbsttätig reguliert.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Abführen von thermischer Energie in einer thermisch hoch beanspruchten Struktur, bei der die anfallende Wärme in einer endothermen chemischen Reaktion umgesetzt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in den durch die Wärmeeinwirkung beaufschlagten Bereichen der Struktur Rohrleitungen (2) angeordnet sind, die mit einem Reduktionsmittel gefüllt sind und durch die Wasserdampf leitbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bestehend aus einem Flugkörper, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohr­ leitungen (2) in den durch Reibungshitze beauf­ schlagten Bereichen der Außenverkleidung der Struktur angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Dampferzeugungseinheit (5) vor­ gesehen ist, die dem System der Rohrleitungen (2) vorgeschaltet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Reduktionsmittel aus Kohlenstoff (C) und die chemische Reaktion in einer Wassergassynthese besteht, bei der Wasser (H₂O) durch den Kohlenstoff gemäß der Reaktionsgleichung H₂ O + C + Energie CO + H₂zu Wasserstoff (H₂) unter Bildung von Kohlenmonoxid (CO) reduziert wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Reduktionsmittel aus wenigstens einem Metall bzw. Metalloxid und die Reaktion in einer Reduzierung von Wasser durch diese Metalle bzw. Metalloxide besteht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Verwendung in einem angetriebenen Raumflugkörper, dadurch gekennzeichnet, daß Reaktionsprodukte als Treibstoffverwendet werden.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Reaktionsprodukte in einer nachfolgenden exothermen Reaktion wieder auf­ bereitet werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7 zur Verwendung in einem angetriebenen Raumflugkörper, dadurch gekennzeich­ net, daß die freiwerdende Energie zur Treibstoff­ vorwärmung eingesetzt wird.