Analisi Impianto di Condizionamento del Velivolo MD-11

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1 Politecnico di Milano Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Analisi Impianto di Condizionamento del Velivolo MD-11 Michele Pinelli Febbraio 2013

2 Premessa La presente relazione analizza, attraverso valutazioni termodinamiche del ciclo ad aria standard, l impianto di condizionamento di un velivolo MD-11, versione 285 passeggeri, utilizzante un sistema di raffreddamento aria di tipo bootstrap, in condizioni operative, a terra e in quota. 2

3 Indice 1 Premessa 2 2 Indice 3 3 Elenco dei simboli 4 4 Descrizione del problema e del metodo di risoluzione A terra In quota 6 5 Dati del problema Parametri dell impianto A terra In quota 7 6 Sviluppo dei calcoli A terra Calcolo temperature Calcolo pressioni Calcolo portate In quota Calcolo pressione e temperatura iniziale Calcolo temperature Calcolo pressioni Calcolo portate 11 7 Presentazione dei risultati A terra In quota 12 3

4 3. Elenco dei simboli H Calore da estrarre nell unità di tempo [W c p Calore specifico a pressione costante [ K Coefficiente di perdite di carico negli scambiatori [ R Costante universale dei gas [ J K kpa s 2 m 6 J (K mol) η c1 η c2 η ic η pc η t Efficienza compressore motore Efficienza compressore ACP Efficienza intercooler Efficienza pre-cooler Efficienza turbina a Gradiente termico verticale [ C m ṁ hot Portata massica condotto caldo [ ṁ cold Portata massica condotto freddo [ ṁ rec Portata massica in ricircolo [ ṁ ext Portata massica per passeggeri [ ṁ tot Portata massica totale [ Q Portata volumica condotto [ s s s s s m 3 s P 0 Pressione a quota 0 [bar P e Pressione esterna [bar P n Pressione nel punto n [bar 4

5 z Quota [ft z cab Quota cabina [ft β 1 β 2 Rapporto di compressione di spillamento al motore Rapporto di compressione nell ACP T 0 Temperatura a quota 0 [ C T nad Temperatura al punto n adiabatica [ C T cab Temperatura cabina [ C T hot Temperatura condotto caldo [ C T cold Temperatura condotto freddo [ C T e Temperatura esterna [ C T n Temperatura nel punto n [ C T s Temperatura sistema [ C v Velocità di volo [kts 5

6 4. Descrizione del problema e del metodo di risoluzione Viene richiesto di calcolare i vari punti termodinamici dell aria elaborata dal ciclo boostrap, nonché le portate d aria elaborate e di ricircolo, in massa e in volume, nelle due condizioni operative in atmosfera standard: a terra in volo a ft e 480 kts TAS con quota cabina 7000 ft In più si assuma una portata d'aria fresca per ogni passeggero di 0.4 /min. Per la stima del carico termico di cabina, si consideri il 50% in più rispetto a quello dovuto al calore metabolico totale. Per le perdite di energia interna nella valvola di laminazione, si assuma semplicemente una caduta di temperatura assoluta del 10%. 4.1 A terra Sono assegnate la pressione esterna e di cabina, la temperatura esterna, i rapporti di compressione e l efficienza degli organi meccanici e le perdite di carico negli scambiatori di calore. Le pressioni a valle degli organi meccanici verranno calcolate grazie al rapporto di compressione e le temperature utilizzando prima una trasformazione adiabatica, ed in seguito l efficienza degli scambiatori di calore per trovare la temperatura reale. Le pressioni a valle degli scambiatori di calore verranno invece calcolate tenendo conto delle perdite di carico all interno degli scambiatori stessi. Le portate vengono calcolate attraverso bilanci di portata. 4.2 In quota Tramite l aria standard verranno determinate pressione e temperatura esterne; il procedimento sarà analogo al punto precedente. 6

7 5. Dati del problema 5.1 Parametri dell impianto Numero passeggeri 285 Rapporto di compressione di spillamento al motore β 1 =2,4 Efficienza del compressore motore η c1 =0,7 Efficienza pre-cooler η pc =0,5 Rapporto di compressione nell ACP β 2 =1,45 Efficienza del compressore ACP η c2 =0,85 Efficienza inter-cooler η ic =0,5 Efficienza turbina η t =0,85 Coefficiente di perdita di carico in ogni scambiatore 5.2 A terra Pressione esterna Temperatura esterna Temperatura cabina Temperatura sistema K =5 kpa s2 m 6 P e =1013 mbar T e =15 C T cab =20 C T s =11 C Portata per passeggero ṁ=0,4 min 5.3 In quota Quota Quota cabina Velocità di volo Portata per passeggero z=35000 ft z cab =7000 ft v=480 kts ṁ=0,4 min Gradiente termico verticale a= 6,5 C m 7

8 6. Sviluppo dei calcoli 6.1 A terra Calcolo delle temperature T 2ad T 1 =β 1 0,4 1,4 T 2ad =96,89 C η c1 = T 2ad T 1 T 2 T 1 T 2 =131,98 C η pc = c ṁ (T T ) p cold 2 1. T 3 =73,49 C c p m min 2 1 T 4ad T 3 =β 2 0,4 1,4 T 4ad =112,31 C η c2 = T 4ad T 3 T 4 T 3 T 4 =119,16 C η ic = T 4 T 5 T 4 T 1 T 5 =67,08 C T 6ad =( P 0,4 6 1,4 ) T 5 P 5 T 6ad = 34,40 C η t = T 6 T 5 T 6ad T 5 T 6 = 19,18 C =T cold T hot =90%T 2 =91,5 C Calcolo delle pressioni P 2 =β 1 P 1 =2431,2 mbar P 3 =P 2 K Q 2 =2421 mbar P 4 =β 2 P 3 =3510,45 mbar P 5 =P 4 K Q 2 =3500 mbar 8

9 P 6 =P 1 =1013 mbar Calcolo delle portate ṁ ext =0,4 285=144 min =1,9 s H = W cp ṁ tot T s c p ṁ tot T cab = H con ṁ tot =3,3 s ṁ tot =ṁ ext +ṁ rec con ṁ rec =1,41 s {. m +ṁ +ṁ =ṁ cold hot rec tot. m T +ṁ T +ṁ T =ṁ T cold 6 hot hot rec cab tot s ṁ cold =1,5 s ṁ hot =0,9 s 6.2 In quota Calcolo della pressione e della temperatura iniziale T e =T 0 a z= 54 C P e =P 0 (1 a z R a ) =238 mbar T 0 T 1 =(1+ 1,4 1 0,69)= 24 C 2 g P 1 =( T 1,4 1 0,4 ) P e T e P 1 =373 mbar 9

10 6.2.2 Calcolo delle temperature T 2ad T 1 =β 1 0,4 1,4 T 2ad =77 C η c1 = T 2ad T 1 T 2 T 1 T 2 =120,28 C η pc = c p ṁ cold (T 2 T 3 ) c p ṁ min (T 2 T 1 ) T 3 =48,14 C T 4ad T 3 =β 2 0,4 1,4 T 4ad =84,12 C η c2 = T 4ad T 3 T 4 T 3 T 4 =90,47 C η ic = T 4 T 5 T 4 T 1 T 5 =33,24 C T 6ad =( P 0,4 6 1,4 ) T 5 P 5 T 6ad = 1,49 C η t = T 6 T 5 T 6ad T 5 T 6 =3,72 C=T cold T hot =90%T 2 =80,93 C Calcolo delle pressioni P 2 =β 1 P 1 =899 mbar P 3 =P 2 K Q 2 =843 mbar P 4 =β 2 P 3 =1222 mbar P 5 =P 4 K Q 2 =1193 mbar P 6 =783 mbar 10

11 6.2.4 Calcolo delle portate ṁ ext =0,4 285=144 min =1,9 s H = W cp ṁ tot T s c p ṁ tot T cab = H con ṁ tot =3.3 s ṁ tot =ṁ ext +ṁ rec con ṁ rec =1,41 s {. m +ṁ +ṁ =ṁ cold hot rec tot ṁ cold T 6 +ṁ hot T hot +ṁ rec T cab =ṁ tot T s ṁ cold =1,87 s ṁ hot =0,02 s 11

12 7. Presentazione dei risultati 7.1 A terra 7.2 In quota 12