[AR] Re: Orions and PDEs (was Re: More MAX delays.)

  • From: Jim Davis <jimdavis2@xxxxxxxxxxxxx>
  • To: arocket@xxxxxxxxxxxxx
  • Date: Wed, 29 Jan 2020 11:30:20 -0600 (GMT-06:00)




-----Original Message-----

From: Norman Yarvin <yarvin@xxxxxxxxxxxx>
Sent: Jan 28, 2020 10:57 PM
To: arocket@xxxxxxxxxxxxx
Subject: [AR] Re: Orions and PDEs (was Re: More MAX delays.)

On Tue, Jan 28, 2020 at 07:57:14PM -0600, Jim Davis wrote:

On 1/28/2020 2:16 PM, Norman Yarvin wrote:
The thing is, if the pressure were higher after expansion, wouldn't
that have to mean it was higher before expansion, too?

Yes, Indeed it would. Constant volume heat addition will result in a 
higher pressure and a higher temperature than the same amount of heat 
being added at constant pressure. The difference is that the constant 
volume heat addition results in a lower entropy increase than the 
corresponding constant pressure heat addition. This means the Humphrey 
cycle rejects less heat which means more of the heat added is doing work 
which means the cycle is more efficient.

And if you
pumped up your conventional engine to that same higher pressure,
wouldn't it have the same efficiency?

Indeed, it might have higher efficiency.  But we're comparing cycles 
with the same pressure ratio.

That's what I'm arguing against; it seems like the wrong comparison.
That "pressure ratio" is the compression ratio, and the compression
stage isn't a process that actually exists in a rocket engine; it's
just a theoretical part of those cycles.

But that doesn't negate the thermodynamic advantages of constant volume heat 
addition.   

The ratio that exists in a
rocket engine is the expansion ratio; that seems like the proper
standard of comparison. When you're actually building a combustion
chamber, it is of no consequence that the 'official' high pressure is
the one before combustion: you still have to design it to deal with
the much higher pressure after combustion.

Sure, there are enormous challenges to be overcome to arrange constant volume 
heat addition to get the thermodynamic advantages. But designing more robust 
combustion chambers is way down the list.

(Pump-fed rocket engines do involve compression, of course, but the
pumps are normally pumping liquids, which thermodynamically falls not
into the "heat engine" category but almost purely into the "doing
work" category, since liquids have minimal compressibility. And since
they are denser than gases, not nearly as much power is required in
the first place, compared to what is required to run a compressor in a
jet engine of the same thrust.)

But it doesn't follow that it is a trivial matter to raise the combustion 
pressure in a rocket engine. Given a set of propellant turbopumps that raise 
the propellants to a given pressure (or a set of propellant tanks that can be 
pressurized to a given pressure) it is still thermodynamically advantageous to 
add heat (burn the propellants) at constant volume rather than constant 
pressure. The challenges to arrange constant volume heat addition are certainly 
enormous but the thermodynamic advantages are attractive enough that interest 
in PDEs and such has never died out. The analogy with controlled fusion is apt 
in this care.

Jim Davis



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