EN3225 Propulsão Aeroespacial
Universidade Federal do ABC
Aula 10 Sistemas de alimentação
- Pressurização
EN 3255 Propulsão Aeroespacial
EN3225 Propulsão Aeroespacial
SISTEMAS DE ALIMENTAÇÃO DE COMBUSTIVEIS
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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
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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.
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Exemplo: sistema pressurizado
Gás pressurizante
combustível
oxidante
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oxidante
Sistema com turbo bomba
Turbo bomba
combustível oxidante
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Projetos de sistema de alimentação
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PROJETO DE SISTEMA PRESSURIZADO
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Objetivos .
• Escolher o gás pressurizante
• Suas propriedades físicas e termodinâmicas
• Condições de armazenamento
• Influências no restante do projeto
Sistema de alimentação do Ariane V
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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.
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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.
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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
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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
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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.
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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)
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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)
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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
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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
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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
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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
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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.
combustível oxidante
pressurizante Q
Q Q
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O efeito das paredes: gerador de gás
• Ao ser gerado, o gás pressurizante esquensta: as paredes dos tanques redebem calor.
combustível oxidante
pressurizante Q
Q Q
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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.
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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.
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Considerando tudo...
2Wugpgg QTTCWQ
vupvvevplvW TTChTTCWQQ 1
1
2
Wvupvvevplv
Wugpgg
QTTChTTCW
QTTCW
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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.
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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
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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
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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.
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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
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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
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Resolução (a)
Quantidade de propelente vaporizada:
667356889388624753413999
889288667356461758107983 6
,,,
,,,W J, v
kg 6,84936vW
vupvveuplv TTChTTCWQ
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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
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Resolução (a)
Volume ocupado pelo gás pressurizante:
vTg VVV
0,201899 3,3697 gV
3m 3,16781gV
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Resolução (a)
A massa de gás pressurizante:
kg 4,44067gW
8893883148
416781310137641 6
,,
,,Wg
Primeira parte da resposta (a)
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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)
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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
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Resolução (b)
Quantidade de propelente vaporizada:
vupvvevplvW TTChTTCWQQ 1
vupvvevpl
W
vTTChTTC
QQW
1
3566,67366,667753,624413999288,8893566,671758,46
2110000104,5576 6
vW
kg 4,53592vW
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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
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Resolução (b)
Volume ocupado pelo gás pressurizante:
vTg VVV
0,12601 3,3697 gV
3m 3,24228gV
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Resolução (b)
A massa de gás pressurizante:
kg 4,83076gW
366,6673148
43,2422810137641 6
,
,Wg
Primeira parte da resposta (b)
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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)
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SISTEMAS DE ARMAZENAMENTO DE GÁS
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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.
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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.
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Hidrogênio
• Usado em motores movidos a H2.
• Baixo peso molecular.
• Propelente – altamente inflamável.
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Hélio
• Muito utilizado em sistemas pressurizados americanos e russos.
• Baixo peso molecular.
• Agente inerte, com muito baixo ponto de ebulição.
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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
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Configurações
1. Sistema pressurizado sem aquecimento
2. Aquecimento via câmara de combustão
3. Sistema em cascata
4. Aquecimento dentro do tanque
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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
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2. Aquecimento via câmara de combustão
Gás pressurizado
Regulador
Tanques de propelente
Válvula de controle
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.
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3. Sistema em cascata
Gás pressurizado
Gás pressurizado
Gás pressurizado
Regulador Tanques de propelente
Válvula de controle
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.
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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
Válvula de controle
Regulador
Tanques de propelente
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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%
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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
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Resolução
Cálculo do fator de utilização:
utilizado gás
necessário gásutf
4,44
5,87utf
325,1utf