Heißwasserrakete

Winterheart · Anmeldungsdatum: 11.03.2005 Beiträge: 74 Wohnort: bei München

Hallo Leute!

Ich hab neulich im Web ne Seite gesehen, wo paar Leute ne Heißwasserrakete gebaut haben. Hat mich ziemlich fasziniert. Hab lange überleget, wie man die Zusammenhänge, welche die Expansion des Dampfes beschreiben, rechnerisch nachvollziehen kann.
Leider liegt meine Vorlesung in Thermodynamik schon ein bisschen weit zurück. Hat hier Jemand Lust mir das zu erklären? Wär echt nett!

Bei einer Kaltwasserrakete hab ich mir schon alles hergeleitet, aber bei der Heißwasserraktet hab ich Schwierigkeiten. Wie ist der Übergang vom überhitzten Wasser zum Dampf? Bleibt der Druck bei der Ausströmphase im Druckbehälter konstant? Wie ändert sich Temperatur des Wassers? Wie spielt der Aggregatszustandswechsel mit rein?
Hab echt kein Plan.

Danke !

dachdecker2

Kaltwasserrakete ist klar, hast du gesaagt: Komprimierte Luft drückt kaltes Wasser aus dem Druckbehälter und erzeugt so den Impuls. Das ganze kann man jetzt mit verschieden viel Wasser Probieren (oder ausrechnen), um einen maximalen Impuls zu bekommen.

Wenn du jetzt (sehr) heißes Wasser nimmst, kannst du die Rakete mit mehr Wasser füllen, da ein Teil des Gases durch das Entspannen des Wassers und die damit einhergehende Verdampfung geliefert wird.

(Tipp: Überhitztes Wasser ist etwas, das hier begrifflich nicht passt. Überhitztes Wasser ist in einem "verbotenen" Zustand, d.h. es ist flüssig obwohl es bei gegebenen Durck und Temperatur laut Phasendiagramm eigentlich gasförmig sein müsste. Dieser Zustand ist schwer zu erreichen, außerdem nicht nützlich (der Druck ist unpraktisch niedrig) für die Verwendung in der Rakete -> also nicht relevant. siehe auch unterkühltes Wasser)

Beispiel:

Du hast also die Druckkammer unter einem Druck, der über dem Außendruck liegt und eine Temperatur, bei der das Wasser flüssig ist. In diesem Beispiel sollen diese Anfangsparameter 100 bar bei 300°C sein.

Der Verschluss wird geöffnet und Wasser strömt aus. Der Druck wird zunächst auf 85,88 bar abfallen während sich der Inhalt der Rakete genau wie bei der Kaltwasserversion verhält.

Bei 85,88 bar liegt die Siedetemperatur des Wassers bei 300°C. Während weiter Wasser ausströmt, verdampft Wasser und zieht dabei Energie (rund 1,2 MJ/kg bei den vorliegenden Parametern) aus dem verbleibenden Inhalt des Druckbehälters - deswegen wird die Temperatur und damit auch der Druck fallen.

Wahrscheinlich bekommst du zusätzlichen Impuls dadurch, dass das Wasser nach Verlassen des Druckbehälters sprunghaft auf Umgebungsdruck (rund 1 bar) entspannt wird. Es wird dabei (wahrscheinlich zum Teil) schlagartig verdampfen und explosionsartig an Volumen zunehmen. Es könnte zusätzlichen nutzen bringen eine Düse zu bauen, in der die Entspannung auf Umgebungsdruck mehr oder weniger kontrolliert geschieht, und du den entstehenden Impuls besser lenken und nutzen kannst.

Stoffdaten von Wasser (Siededruckkurve):
http://de.wikipedia.org/wiki/Wasser_%28Stoffdaten%29

weitere Werte zu beinahe beliebigen Parameterkonstellationen (zum Beispiel innere Energie (zum Ausrechnen der Verdampfungswärme) oder Spezifisches Volumen ...):
http://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/

Wenn man sich das ansieht, ist natürlich fraglich, ob die durch die Heißwasserrakete erreichbare Höhe über der von der viel einfacheren und leichteren Kaltwasserrakete liegen wird, wenn du "normale" Materialien wie Aluminium zur Verfügung hast. Es wäre schön, wenn du deine Berechnungen und Ergebnisse hier dazupostest smile

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dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Ich würde sagen, da spielen die folgenden Effekte eine Rolle:

1) Beschleunigung der ausgestoßenen Wassermoleküle durch den Druckunterschied zwischen innerhalb und außerhalb der Rakete.

2) Beschleunigung der ausgestoßenen Wassermoleküle durch Umwandlung ungerichteter thermischer Bewegung in gerichtete Bewegung an der Düse

3) Reduzierung der kinetischen Energie (eventuell vor allem der thermisch ungeordneten?) der austretenden Wassermoleküle durch Übergang von flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand und dem damit verbundenen Aufwenden von Verdampfungsenergie, um die Wassermoleküle voneinander zu entfernen. Aber auch Erhöhung der (vor allem gerichteten?) kinetischen Energie durch plötzliche starke Expansion des Wassers beim Übergang in die gasförmige Phase, während es sich in der Austrittsdüse befindet.

Ich glaube, zu Effekt 1) hast du den rechnerischen Ansatz schon von der Kaltwasserrakete, zu 2) könnten Überlegungen zur dynamischen Temperatur

http://www.physikerboard.de/topic,9176,-spezifische-waermekapazitaet-in-abhaengigkeit-der-temperatur.html

helfen, und bei 3) dürfte man weiterkommen, wenn man die Volumenänderung beim Phasenübergang durch das Volumen des entstehenden Gases abschätzt.

Laut Wikipedia

http://de.wikipedia.org/wiki/Wasserrakete

scheint es mir in einer Heißwasserrakete kein Gas zu geben, das das Wasser herausdrückt, sondern einfach direkt nur das heiße Wasser unter Überdruck, und die Schubkraft bleibt bis zum Ende nahezu konstant, was mich vermuten lässt, dass 2) und 3) einen großen Teil der Schubkraft ausmachen.

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Hier

http://www.tfh-berlin.de/~prolab/dl/aquarius.pdf

habe ich noch einen weiteren schönen Link zu Heißwasserraketen gefunden; eine schöne Kurzeinführung steht auf Seite 3 unten (Seite 10 von 47).

Dem entnehme ich unter anderem, dass in einer Heißluftrakete auch Gas enthalten ist, und dass dieses Gas mindestens teilweise Wasserdampf aus Teilverdampfung ist, der den beim Ausströmen frei werdenden Raum füllt.