Untersuchung des Kühlverhaltens von Distickstoffmonoxid an ALM-gefertigten Kühlkanälen für Regenerativkühlsysteme fortschrittlicher Orbitaltriebwerke

Kurzfassung

In der vorliegenden Arbeit wird das Kühlverhalten des Fluids Distickstoffmonoxid (N20) an additiv gefertigten Kühlkanälen für die Regenerativkühlung fortschrittlicher Orbitaltriebwerke untersucht. Lachgas zählt durch seine Umweltverträglichkeit zu den grünen Treibstoffen, welche als Ersatz für hochgiftige Hydrazin in Frage kommen. Zu Beginn der Zielumsetzung stehen drei additiv gefertigte Inconel-Messstrecken mit verschiedenen Geometrien und keramischen Heizelementen zur Verfügung. Diese Messstrecken wurden für Druckverlusttests und Kühlungstests in verschiedenen Versuchsaufbauten innerhalb der Vakuumkammer am Prüfstand M11.2 des DLR-Instituts für Raumfahrtantriebe eingebaut. Um die Kühleigenschaften des Lachgases unter verschiedenen Randbedingungen zu analysieren, wurden die Betriebsparameter Heizleistung, Fluidvordruck und Differenzdruck an Messstrecken mit unterschiedlichen Innendurchmessern variiert. Im Druckverlusttest wurden die Messstrecken mit Wasser durchströmt. Ziel dieses Versuches war es, den Einfluss des 3DDruckverfahrens auf den Druckverlust der Messstrecken zu bestimmen und die entsprechenden Druckverlustbeiwerte zu ermitteln. Es konnte gezeigt werden, dass alle Messstrecken aufgrund ihrer Oberflächenrauigkeiten den vollkommen rauen Bereich erreichten, in dem die Druckverlustbeiwerte konstant waren. Zu einem späteren Zeitpunkt wurden diese Druckverlustbeiwerte zur Bestimmung des Einflusses der Rauheit auf den Wärmeübergangsprozess mitberücksichtigt. In einem weiteren Schritt wurden die Messstrecken in Kühlungstests mit Lachgas durchströmt und mittels keramischer Heizelemente beheizt. Durch die Auswertung der Messdaten konnte in einer Temperaturanalyse ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen den eingebrachten elektrischen Leistungen und den Fluid- und mittleren Wandtemperaturen beobachtet werden. Im weiteren Verlauf der Analyse wurden Druckverluste der Messstrecken bei unterschiedlichen Heizerleistungen untersucht. Es wurde ersichtlich, dass der Wärmeeintrag mit zunehmenden relativen Rauheiten der Messstrecken zu einem steileren Anstieg des Druckverlusts im System führte. Um den Einfluss des 3D-Druckverfahrens auf den kühlkanalseitigen Wärmeübergang zu analysieren, wurden analytische und experimentelle Nusselt-Zahlen mithilfe der inversen und kalorischen Methoden ermittelt und mit empirischen Nusselt-Korrelationen nach Dittus-Boelter, Gnielinski und Cinjarew verglichen. Hierzu war zunächst eine Bestimmung der örtlichen Fluidtemperaturen mittels verschiedener Modellansätze erforderlich. Durch die Analyse der Ergebnisse konnte festgestellt werden, dass die untersuchten Korrelationen, die für glatte Rohre gelten, untereinander keine nennenswerte Abweichung lieferten und den realen Wärmeübergang unterschätzten. Durch die Anpassung der Nusselt-Korrelation nach Gnielinski unter Berücksichtigung der Rauheit konnten in der kleinen und der mittleren Messstrecke im Durchschnitt Abweichungen um 20-30 % von den experimentellen Nusselt-Zahlen erreicht werden, während diese Abweichungen in der großen Messtrecke aufgrund fehlerhafter Temperaturmessung höher lagen. Eine Abschätzung der Nusselt-Zahlen für den kühlkanalseitigen Wärmeübergang mithilfe der Korrelation nach Gnielinski, unter Berücksichtigung der Rauheit, ist daher möglich.