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Autor Thema: Verbrennungsgeschwindigkeit - wo ist die Grenze  (Gelesen 600 mal)

Offline McPhönix

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Verbrennungsgeschwindigkeit - wo ist die Grenze
« am: 25. September 2020, 19:06:12 »
Unter relativ normalen Bedingungen findet man oft die Angabe 2km/s für eine Verbrennung. (Wikipedia u.a.) Wie ich das sehe, ist da wohl die fortschreitende "Flammenfront" an der Grenze Sauerstoff / Gas gemessen. Eine verständliche Quelle oder Gar Diagramm, wie das im Verhältnis zum Druck ist, konnte ich nicht finden.

Aber wenn ich so sehe, wie klein im Verhältnis zur Düsenöffnung heutige Brennkammern sind und bei welchen Drücken da gearbeitet wird, um Tonnen von Material in Sekunden rauszuballern - frage ich mich, wo ist die Grenze.
Ich setze mal gedanklich voraus, man macht eine Brennkammer quasi unzerstörbar, desgleichen die Pumpen und die Durchmischung ist auch extrem gut - was wird der begrenzende Faktor sein? Gibt es eine Grenze der Reaktionsgeschwindigkeit zwischen den Molekülen von Sauerstoff und Brennstoff? Oder ist der begrenzende Faktor die Dissoziation ? ( Beispiel O2 zu = O + O / Methan zu C + HHHH )
Gibt es Erkenntnisse, wo Schluß ist ?
Ich habe keine Angst vor Aliens. Solange sie über uns lachen wegen dem kleinkarierten Raketengefummel auf der Erde, tun sie uns nix.

Offline McPhönix

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Re: Verbrennungsgeschwindigkeit - wo ist die Grenze
« Antwort #1 am: 03. Oktober 2020, 20:48:24 »
Traut sich keiner drunter zu schreiben "So'n Quatsch" ?  ;D
Ich habe keine Angst vor Aliens. Solange sie über uns lachen wegen dem kleinkarierten Raketengefummel auf der Erde, tun sie uns nix.

Offline worchel

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Re: Verbrennungsgeschwindigkeit - wo ist die Grenze
« Antwort #2 am: 03. Oktober 2020, 21:17:41 »
Wo ist die Grenze beim Weitsprung ? Es weiss keiner. :D

Offline Klakow

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Re: Verbrennungsgeschwindigkeit - wo ist die Grenze
« Antwort #3 am: 04. Oktober 2020, 03:06:58 »
Doch da gibt es natürlich eine Grenze und die hat was mit Energie zu tun, die unter optimalen Bedingungen, bei einer Reaktion frei wird.
Nimmt man nun z.B. 2H+O so ergibt das H2O+Arbeit [in der Enheit Joule]
Die maximale Geschwindigkeit würde sich ergeben wenn sich z.B. zwei Wasserdampfmolekühle bilden würden und diese jedes für sich abgestossen würde.
das müsste dann: W=1/2*m*v2 oder V=Sqr(2W/M)
M ist hierbei die Masser der zwei Dampfmoleküle und 2W die bei der Reaktion freiwerdende Energie.
Hat man einen Überschuss von Wasserstoff, steigt die Reaktionsgeschwindigkeit weil die nicht verbranten Wasserstoffmolekühle wegen der gleichen Themperatur in der Brennkammer annehmen, aber wegen ihrer viel kleineren Molekühlmasse eine viel höhere Geschwindigkeit annehmen.

Offline McPhönix

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Re: Verbrennungsgeschwindigkeit - wo ist die Grenze
« Antwort #4 am: 04. Oktober 2020, 11:44:10 »
Zitat
Hat man einen Überschuss von Wasserstoff, steigt die Reaktionsgeschwindigkeit weil die nicht verbranten Wasserstoffmolekühle wegen der gleichen Themperatur in der Brennkammer annehmen, aber wegen ihrer viel kleineren Molekühlmasse eine viel höhere Geschwindigkeit annehmen.
Das ist wohl auch die Stelle, wo in Zusammenhang mit der Brennkammerarchitektur sehr viel Abwägungen gemacht werden(müssen).

Aber die Geschwindigkeit der Moleküle ist das Eine und die Reaktionsgeschwindigkeit ein Anderes. Die Molekülgeschwindigkeit trägt natürlich zusammen mit dem Brennkammerdruck dazu bei, wie schnell sich unverbrannte Moleküle einander "begegnen".
Aber nun stehen sich also zwei "Partner" gegenüber und die Frage ist - wie schnell kommt es zur Reaktion ?
(Woran erinnert mich das nur...?)
Und da kommt doch sicher auch die Dissoziation ins Spiel.
Das heißt - es sind eigentlich zwei Geschwindigkeiten von Interesse :
Zum Einen : Wie schnell zerfällt ein Molekül in zwei (oder mehr) einzelne Reaktionspartner und
Zum Anderen : Wie schnell werden dann irgendwelche Abstoßungen, Orbitale, sonstige Hürden überwunden, bis man das Verbrennungsprodukt hat.

Vlt mit Lichtgeschwindigkeit ? Nee, war'n Scherz  ;D
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Offline Klakow

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Re: Verbrennungsgeschwindigkeit - wo ist die Grenze
« Antwort #5 am: 04. Oktober 2020, 12:38:04 »
Ich wollte ja nur die Zusammenhängebeleuchten beleuchten, da gibt's natürlich noch weitere Dinge die da eine Rolle spielen

Offline McPhönix

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Re: Verbrennungsgeschwindigkeit - wo ist die Grenze
« Antwort #6 am: 04. Oktober 2020, 15:15:40 »
Ist doch ok :)
Wäre interessant zu wissen, welche Leute sich an welchem Institut überhaupt damit befaßt haben...
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Offline Dominic

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Re: Verbrennungsgeschwindigkeit - wo ist die Grenze
« Antwort #7 am: 05. Oktober 2020, 17:49:03 »
Die maximal mögliche Verbrennungsgeschwindigkeit (Detonationsgeschwindigkeit) eines Brennstoffs (bei Sauerstoff+Wasserstoff etwa 2820m/s, bei manchen Sprengstoffen bis über 10 000m/s) entspricht nicht der höchsten (mittleren) Ausströmgeschwindigkeit eines Raketentreibstoffs. Die Verbrennung findet bei gängigen Raketentriebwerken auch mit einer Geschwindigkeit statt die weit unter der Detonationsgeschwindigkeit liegt. Der Grund dafür ist das es sehr schwer ist eine Detonationsverbrennung zu kontrollieren. Unkontrollierte Detonationsschockwellen könnten ein Triebwerk zerstören da lokal extreme Drücke auftreten können.

Zur maximalen Ausströmgeschwindigkeit thermischer Raketen im Allgemeinen empfehle ich das Kapitel 5 aus Raumfahrtsysteme von Ernst Messerschmid und Stefanos Fasoulas: https://www.springer.com/de/book/9783662496374# (ist aber nicht ganz trivial, Rocket Science  ;) )

Dennoch wurden in der Vergangenheit einige mögliche Raketentriebwerke vorgeschlagen, die mit Detonationsverbrennungen arbeiten, insbesondere gepulste Triebwerke und, Triebwerke mit einer rotierenden Detonation (rotating detonation engine). Beide sind aber technisch recht anspruchsvoll.

Siehe dazu auch:

https://www.youtube.com/watch?v=rG_Eh0J_4_s

Offline McPhönix

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Re: Verbrennungsgeschwindigkeit - wo ist die Grenze
« Antwort #8 am: 05. Oktober 2020, 21:19:32 »
Die maximal mögliche Verbrennungsgeschwindigkeit (Detonationsgeschwindigkeit) eines Brennstoffs (bei Sauerstoff+Wasserstoff etwa 2820m/s, bei manchen Sprengstoffen bis über 10 000m/s) entspricht nicht der höchsten (mittleren) Ausströmgeschwindigkeit eines Raketentreibstoffs.
Hier müßte Wiki mal sauberer trennen. Aber ok, wir wissen wie es gemeint ist.
Zitat
Die Verbrennung findet bei gängigen Raketentriebwerken auch mit einer Geschwindigkeit statt die weit unter der Detonationsgeschwindigkeit liegt. Der Grund dafür ist das es sehr schwer ist eine Detonationsverbrennung zu kontrollieren. Unkontrollierte Detonationsschockwellen könnten ein Triebwerk zerstören da lokal extreme Drücke auftreten können.
Auch klar. Man soll zwar niemal nie sagen , aber vlt kommt doch mal jemand mit einer neuen "Detonationsidee".
Solange wird man zweckmäßigerweise die herkömmlichen Triebwerke verbessern ( müssen)
Ich sehe aber eher Potential in der zunehmenden Verbesserung der Zuverlässigkeit, im Bereich Produktion und Kosten sowie in der Ermöglichung modulmäßiger Anwendung. So daß man mal auswählen kann bei Raketenkörpern und Triebwerken und deren Kombination. Also je nach Aufgabe / Anforderung und nicht nach dem was man als Einheit entwickelt hat. ( Oder davon träumt wie bei SLS )
Und dann sollte für alle Fernziele endlich der Atomantrieb bereit stehen. Sonst wird das nix. Der entscheidende Faktor bei zukünftiger Raumfahrt wird nämlich nicht sein "Wir können" sondern "Wir können schnell".
Nicht mal wegen der Schnelligkeit allein, sondern wegen der Planbarkeit. Jegliche (industrielle und/oder strukturelle) Entwicklungen auf der Erde laufen schnell ab. Eine Raumfahrt, die da nicht mithalten kann, ist nutzlos und verbrennt nur Geld.  So nun habe ich in meinem Thread selbst genug OT reingeworfen.  ;D

Das empfohlene Buch tu ich mir nicht an Wo selbst das E-Book 54 E kostet und auch einzelne Kapitel ca 20 E .... nää das ist mir zu fett  ;D

Und würde ich dort auch finden, wie schnell die einzelnen Moleküle mit einander reagieren können?
( Meine eigentliche Frage in # 4 )

Nebenbei vemisse ich in vielen Artikeln im Netz eine Unterscheidung der Art von Detonationen.
Es gibt da ja Zerfallsreaktionen wie z.B. bei Jodstickstoff. Kann sich jeder am Küchentisch herstellen. Der heftigste Detonator. Gottseidank nicht praktisch anwendbar, weil zu mimosenhaft.
Dann hätten wir Nitroglyzerin, wo in einer Verbindung Oxydator und "Brennstoff" vorhanden ist.
Und dann die einschlägigen Gemische mit z.B. Perchloraten und Brennstoff.
Irgendwo gibt da auch noch die Metallsprengstoffe dazwischen.

Nee wie gesagt, bei "normalen" Triebwerken ist noch etwas rauszuholen, mehr aber beim Handling.

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Offline Dominic

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Re: Verbrennungsgeschwindigkeit - wo ist die Grenze
« Antwort #9 am: 09. Oktober 2020, 19:17:52 »
Das empfohlene Buch tu ich mir nicht an Wo selbst das E-Book 54 E kostet und auch einzelne Kapitel ca 20 E .... nää das ist mir zu fett  ;D

Für was gibt es Sci-Hub?  ;)

Zitat
Und würde ich dort auch finden, wie schnell die einzelnen Moleküle mit einander reagieren können?
( Meine eigentliche Frage in # 4 )

Um es kurz zu machen: Die maximale mittlere Ausströmgeschwindigkeit des Treibstoffs, die für den Spezifischen Impuls ja letztendlich relevant ist, ist nicht abhängig von der Verbrennungsgeschwindigkeit auch wenn eine hohe Verbrennungsgeschwindigkeit unter Umständen von Vorteil sein kann.

Sie ist eigentlich nur abhängig von der Temperatur welche der Treibstoff erreichen kann und der molare Masse des Treibstoffs bzw. speziell bei chemischen Treibstoffen hauptsächlich von der bei der Verbrennung pro Masse freigesetzten Energie und der molaren Masse der Verbrennungsprodukte.

Natürlich können auch verschiedene Triebwerke welche den selben Treibstoff verwenden unterschiedlich effizient sein, also unterschiedliche spezifische Impulse aufweisen. Eine Detonationsverbrennung kann theoretisch die Konstruktion effizienterer Triebwerke erlauben.

Offline McPhönix

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Re: Verbrennungsgeschwindigkeit - wo ist die Grenze
« Antwort #10 am: 09. Oktober 2020, 21:21:16 »
Sie ist eigentlich nur abhängig von der Temperatur welche der Treibstoff erreichen kann und der molare Masse des Treibstoffs bzw. speziell bei chemischen Treibstoffen hauptsächlich von der bei der Verbrennung pro Masse freigesetzten Energie und der molaren Masse der Verbrennungsprodukte.
Ist klar. Aber da wird man wohl an der Grenze sein. Was Besseres als H + O gibts vorläufig nicht (Außer F + H)
Zitat
Natürlich können auch verschiedene Triebwerke welche den selben Treibstoff verwenden unterschiedlich effizient sein, also unterschiedliche spezifische Impulse aufweisen.
Ja das ist die hohe hohe Kunst des Raketen (Brennkammer) Baues - Druck aushalten, Turbopumpen verbessern usw...

Beim Ausnutzen von Detonationen müßte wohl irgendwas Bahnbrechendes erst dazu erfunden werden. Ich schätze mal, vorläufig ist hierbei die sichere, langzeitige, wiederstartbare Methode noch nicht im Kasten.

Nun ja, ich wollte eigentlich nur mal wissen - wie ist das im Kleinen, wenn sich also z.B. einzelne Atome Wasserstoff und Sauerstoff "Auge in Auge" gegenüberstehen - wie lange brauchts zur Entstehung des Wassermoleküls. Klar daß das druckabhängig ist, wegen der Entfernung.
Aber ich denke mal, betreffs aufbrechen der Schalen und erzeugen des neuen Orbits gehts schon in die Atomphysik. Soweit können wir es hier vlt nicht treiben.
Von daher möge es genug sein :)
Danke nochmal in die Runde.....
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