Kosmonautika (úvodní strana)
Kosmonautika@kosmo.cz
  Nepřihlášen (přihlásit)
  Hledat:   
Aktuality Základy Rakety Kosmodromy Tělesa Sondy Pilotované lety V Česku Zájmy Diskuse Odkazy

Obsah > Diskuse > XForum

Fórum
Nejste přihlášen

< Předchozí téma   Další téma >
Téma: Elektricky metanovy motor
22.8.2019 - 21:39 - 
Elektron pouziva motory, ktorych turbocerpadla su pohanane elektormotormi. Ma to nevyhodu, ze potrebujete baterie a ich energticka hustota zatial nieje prave idealna.

O co by sa zjednodusil motor na metan a kyslik, keby turbocerpadla boli tiez pohanane elektormotormi, akurat, ze by neboli potrebne baterie, ale by sa pouzil metanovy palivovy clanok. Ten by okrem produkcie elekktrickej energie mohol robit aj predohrev paliva, cim by sa znacne zvysila ucinnost samotneho palivoveho clanku a to zo 46% (elektrina) na skoro az na 90%. (elektrina + teplo na ohrev paliva)

Pri pouziti elektormotorov v turbocerpadlach by bolo mozne zvysit aj rozsah regulacie tahu co by mohlo byt uzitocne pri pristavani.

Predpokladma, ze uz to asi niekoho napadlo.
 
22.8.2019 - 22:51 - 
Možná je palivový článek dražší, než baterka (platina?) 
23.8.2019 - 07:31 - 
Predohrev - ako vyzerá energetická bilancia varianty s predohrevom? Koľko tepla produkuje palivový článok a koľko tepla je potrebného na predohrev?
Nehrozí pri tom podchladenie palivových článkov? Prípadne ako podchladeniu zabrániť?

K palivovému článku obecne - Ako to vychádza hmotnostne a cenovo v porovnaní s bateriami vzhľadom na požadovaný výkon a kapacitu? Požadovaná doba činnosti je totiž veľmi krátka - u prvého stupňa menej ako päť minút, a aj v prípade motorického návratu menej ako pätnásť minút. A naopak - požadovaný okamžitý výkon zdrojov je celkom vysoký, pár desiatok kilowatt na jeden motor minimálne.

Pre porovnanie: Tesla model 3 má kapacitu nabíjateľnej baterie podľa varianty 50-75kWh.
Raketa Electron na na každom motore Rutheford dva elektromotory s maximálnym výkonom 37kW - spolu teda 18 eletromotorov s celkovým výkonom 666kW a za predpokladu činnosti 0,1 hodiny na ich napájanie teoreticky postačia na ich napájanie zdroje s kapacitou 67kWh - teda zhruba porovnateľné s kapacitou baterií Tesly...

edit: skúsil som nájsť ako sú na tom palivové články
predovšetkým vychádzajú značne ťažké - nejlepšie bežne komerčne dostupné majú cca 3kg na kW výkonu (alebo tiež 0,2-0,33kW/kg)- takže zdroj s potrebným okamžitým výkonom by mal okolo dvoch ton - a aj keby sa ich relatívna hmotnosť znížila na polovicu, stále budú ťažšie ako batérie, pretože tie bežne dosahujú 1-2MJ/kg tj. 0,27-0,55kWh/kg, pri požadovanej dobe činnosti výrazne pod jednu hodinu.
Pre "požadovanú" kapacitu 67kWh vychádza hmotnosť baterií od 120 do 250kg.

Ad cena - vychádza orientačne okolo $5000 za kW výkonu
[upraveno 23.8.2019 08:58]
 
23.8.2019 - 09:27 - 
quote:
Možná je palivový článek dražší, než baterka (platina?)


Palivový článek je na toto nevhodný, protože má limit daný prostupností membrán.

Laicky řečeno je vhodný pro nízký stálý dlouhodobý odběr. Naopak turbočerpadlo motoru potřebuje ohromný výkon pro velmi krátkou dobu ... ;-)
 
23.8.2019 - 10:32 - 
No podle toho co říkáte je na to vhodný super kondenzátor. Ten se rychle nabije a rychle vybije. Ale asi ještě neexistuje takový s dostatečnou kapacitou aby zároveň nebyl velký a těžký 
23.8.2019 - 11:14 - 
quote:
P Ako to vychádza hmotnostne a cenovo v porovnaní s bateriami vzhľadom na požadovaný výkon a kapacitu?


Myslím, že tohle bude ten problém. Třeba u kol poháněných palivovými články se výkonové špičky získávají stejně z Li baterie a palivový článek pouze kontinuálně dobíjí tu baterii.

V letectví a kosmonautice (pěkné české počeštění "aerospace") se u energetických zdrojů a motorů operuje s dvěma hlavníma veličinama: energetická hustota ("energy density") a výkonostní hustota či hustota výkonu ("power density", pro tento pojem jsem nenašel ustálený český překlad). Od těchto dvou veličin je pak jen krůček k počítání s našimi spefickými bezrozměrnými "raketčíckými" veličinami typu specifický impuls a konstrukční číslo.

U baterií se dále počítá hlavně s max. vybíjecím proudem vs. kapacitou. Li-pol baterie jsou zajímavé tím, že mají ty vybíjecí proudy velké (na úkor životnosti a trochu i bezpečnosti).

Energetická hustota Li baterií všeho druhu je celkem mizerná, zajímavá je případně právě ta výkonová hustota (když k hmotnosti benzínu přičteme hmotnost bloku motoru, tak najednou výhody spalovacích motorů mizí... a proto právě třeba v tom letectví umožňují baterie daleko snažší konstrukci všemožných VTOL konstrukcí, než tepelné stroje všeho druhu)

Dle wiki https://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell
The maximum theoretical energy efficiency of a fuel cell is 83%, operating at low power density and using pure hydrogen and oxygen as reactants (assuming no heat recapture)

Jsem si téměř jistý, že výkonovou hustotu (power density) palivových článků nejde s výkonovou hustotou baterií srovnávat, ale současně jsem vygooglil, že i na tomhle poli probíhá nějaký vývoj:
https://phys.org/news/2018-02-fuel-cell-exceptional-power-density.html

Dobré je vůbec si uvědomit, které všechny parametry různých systémů se dají měřit a srovnávat, protože to nás posouvá blíž k pochopení, proč se "něco dělá nějak" (které obecně u technických věcí ve společnosti strašně chybí.. a to zdaleka ne jen v letectví a kosmonautice...)
 
23.8.2019 - 14:51 - 
Moj predpoklad bol zalozeny na tom, ze metan + kyslik budu mat vacsiu energticku hustotu ako lion baterie. Problem je v hmotnosti metanoveho palivoveho clanku, ten to cele likviduje. Na porovnatelny tah aky produkuje raptor by bolo potrebny prikon na elektomotory cca 10MW. Takze ak niekto stlaci 10MW metanovy palivovy clanok tak pod 200kg, tak to zacne byt velmi zaujimave.  
23.8.2019 - 16:26 - 
To je ale chybná úvaha.
Elektromotormi poháňané čerpadlá majú zmysel len pre malé raketové motory, tam, kde sú "klasické" turbočerpadlové agregáty príliš neefektívne (aj termodynamicky) alebo pre príliš malé rozmery problematicky vyrobiteľné v potrebnej kvalite - alebo vychádzajú príliš drahé.
Elektromotormi poháňané čerpadlá vrátane zdrojov sú totiž vždy podstatne ťažšie, než by boli ekvivalentné turbočerpadlá úmerné veľkosti motorov - ale problém je také turbočerpadlové agregáty vôbec vyrobiť (+ schopnosti ich vyvinúť - to je úloha na úrovni vývoja a konštrukcie prúdových motorov)

Nehovoriac už o tom, že taký 10MW elektromotor je už z principu relatívne "pomalibežný" a pre rakety strašne ťažký - viac ton (priemyslové typicky 15-25 ton podľa vyhotovenie) a pre pohon čerpadiel vyžadujú ešte primerane dimenzované prevodovky, ktoré tiež nie sú ľahké.

[upraveno 23.8.2019 16:50]
 
23.8.2019 - 17:12 - 
quote:
Moj predpoklad bol zalozeny na tom, ze metan + kyslik budu mat vacsiu energticku hustotu ako lion baterie.


To nepochybně mají. Jenže co se počítá, je výkonová hustota - čerpadla potřebují relativně hodně velký výkon po relativně krátkou dobu. Spotřeba palivových článků schopných dodat potřebný výkon by sice byla mizivá, ale hmotnost (a tím zřejmě i cena) těch článků obrovská. (Proto se taky používají v běžných aplikacích na kontinutýlní dobíjení baterií a ne napřímo)
 
23.8.2019 - 19:00 - 
Pro velké zrychlení na 1 a 2 kosmickou rychlost je klasický raketový motor nejlepší.
Palivový článek s tuhými oxidy (SOFC) + spalováním metanu s výtokem spalin (CO2+ H2O)-teplota do 1000 C přes trysku raptoru by se možná hodil pro pomalé zrychlování(zpomalování+ korekce směru) při cestě na Mars. Zároveň by vyráběl dostatek elektřiny, solární panely zas taková výhra nejsou, neumí dobře manévrovat s raketou...
Je to hloupost?
 
23.8.2019 - 22:03 - 
ťažko povedať...
pomalé zrýchlovanie a zpomalovanie pomocou odpadného plynu je ale k ničomu - prietok je maličký a žiadny zaujímavý ťah sa tým podľa mňa nezíska. To už skôr horúci odpadný plyn - zmes CO2 a vody - prehnať stirlingovým motorom aby sa využili odpadné teplo a vodu skvapalniť, zachytiť a uskladniť, hodí sa "vždy". CO2 asi len vypustiť... ale je bude to len chladný plyn, takže využiteľný maximálne tak na nejaké stabilizačné/orientačné trysky, ale skôr ani na to...
 
24.8.2019 - 11:44 - 
Já víceméně souhlasím s id Alchymista, jediné co doplňuju je, že ta veličina, se kterou se musíme naučit pracovat, je "power density", což do češtiny (nepřesně) překládám jako "výkonová hustota" (možná by lepší překlad byl "specifický výkon" - chce se někomu pogooglit?)

Já třeba otázku specifického výkonu hodně řeším u svého solárního elektrokola, protože pochopitelně, má značný vliv na to, jak prudký kopec ještě kolo vyjede vlastní silou - což už s letectvím a kosmonautikou souvisí docela blízce, když se nad tím zamyslíte :-) (u kola ovšem je ten problém, že s klesající rychlostí navíc prudce klesá účinnost přímo zapojeného elektromotoru, zatímco vrtule či čerpadlo tento problém mít nebudou, ty můžou mít otáčky optimální.. ta část, která se týká výkonové hustoty, ovšem platí taky a ve výpočtu vede k maximálnímu stoupání, které motor zvládne aniž by jeho otáčky začaly klesat)


Výkonovou hustotu můžeme srovnávat napříč technologiemi, tedy u turbočerpadla, baterií i palivových článků. Pro požadované velké výkony po krátkou dobu bude samozřejmě daleko důležitější, než energetická hustota (kterou mají samozřejmě palivové články výbornou, o tom žádná)
 
24.8.2019 - 21:53 - 
quote:

Nehovoriac už o tom, že taký 10MW elektromotor je už z principu relatívne "pomalibežný" a pre rakety strašne ťažký - viac ton (priemyslové typicky 15-25 ton podľa vyhotovenie) a pre pohon čerpadiel vyžadujú ešte primerane dimenzované prevodovky, ktoré tiež nie sú ľahké.

[upraveno 23.8.2019 16:50]


Elektromotor 18.4 kW/kg 5400rpm 14MW pod 800kg

https://www.energytech.org/wp-content/uploads/ET2016Presentations/ET16-4F210MWRingMotorCantemir.pdf
 
24.8.2019 - 22:19 - 
To reálne funguje, alebo to len niekde niekto niekomu sľubuje?  
24.8.2019 - 22:24 - 
quote:
To reálne funguje, alebo to len niekde niekto niekomu sľubuje?


Zatial som vystural len teoriu realne to vyzera, ze este nemaju, Respektive maju ale nie este v tom pomere. Ale vyzera to tak, ze je to realne mozne.

Ale aj tak je problem ten metanovy palivovy clanok [upraveno 24.8.2019 22:26]
 
24.8.2019 - 22:56 - 
18 kW/kg by bolo asi tak 20 násobné zlepšenie toho, čo dnes existuje ako "najlepšie" v kategorii "jednotky - desiatky kW", (~1kW/kg) veľmi kvalitné motory v kategorii "pár sto kilowatt" napríklad trakčné pre "rýchle vlaky" majú okolo tony pri výkone ~250kW, teda zhruba 250W/kg. Naopak miniatúrne "modelárske" motorčeky dosahujú výkon až k 3-5kW/kg - ale len pri výkonoch asi tak do 300-500 Watt...
Problem je v tom, že ako rastie výkon motora, veľmi rýchlo narastá hmotnosť - takže menšie motory majú podstatne lepší pomer výkon/hmotnosť ako motory veľkého výkonu.

Ak budeme zjednodušene predpokladať, že výkon motoru závisí od rozmerov priestoru medzi rotorom a statorom, kde sa odohráva interakcia magnetických tokov, tak táto plocha závisí od druhej mocniny rozmeru - ale objem a teda hmotnosť motora od tretej mocniny rozmeru.

A veľmi rýchlo rastú aj problémy s odvodom tepla, čo zhoršuje možnosti konštrukcie motora (väčšia medzera a teda horší magnetický tok, "vetracie diery" v magnetickom obvode atd).
[upraveno 24.8.2019 23:16]
 
24.8.2019 - 23:16 - 
Tady je odkaz na prumyslove poměry maly elektromotor 6MW 18.000 RPM. Myslim že v kosmickem prumyslu by toto dokazali postavit mozna i o polovinu menší. Takze takovy 2t motor už by nebyl o moc těžší nez turbocerpadlo.
https://www.google.com/url?sa=t&source=web&rct=j&url=https://www.nist.gov/document-17837&ved=2ahUKEwjRvNK7s5zkAhVSIlAKHYCTCJwQFjAOegQIAxAB&usg=AOvVaw1d29ylvifDOtnc8QoW3aRP
 
 


Stránka byla vygenerována za 0.196560 vteřiny.