Politecnico di Milano Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Impianti e Sistemi Aerospaziali CALCOLO DI IMPIANTO DI CONDIZIONAMENTO

Transcript

1 Politecnico di Milano Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Impianti e Sistemi Aerospaziali CALCOLO DI IMPIANTO DI CONDIZIONAMENTO 1

2 1. Premessa La presente relazione riporta il calcolo di pressione, densità e temperatura nei vari stadi di un impianto di condizionamento di tipo bootstrap per un velivolo da 130 passeggeri. Inoltre, si valuta le portate d aria elaborata e di riciclo. Figura 1 Le perdite di carico per gli scambiatori saranno pari al 2% della caduta di pressione, mentre per le perdite di energia interna nella valvola di regolazione si ha una caduta di temperatura pari al 3%. 2

3 3

4 2. Indice pag. 1. Premessa 2 2. Indice 4 3. Elenco dei simboli 5 4. Descrizione del problema e del metodo di soluzione Aria esterna Compressore turbina Scambiatore di calore Calcolo delle portate 6 5. Dati del problema Parametri dell impianto Dati generali 7 6. Calcoli e risultati Punto 1 - Aria esterna Punto 2 Compressore Punto 3 Scambiatore Punto 4 Compressore Punto 5 Scambiatore Punto 6 Turbina Punto Calcolo delle portate Riassunto e risultati 11 4

5 3. Elenco dei simboli Temperatura esterna [K] Temperatura nel punto x [K] Densità nel punto x [kg/m 3 ] Pressione nel punto x [Pa] Efficienza Rapporto di compressione Portata d aria fresca totale per i passeggeri [Kg/s] Portata di ricircolo [Kg/s] Portata d aria elaborata [Kg/s] Potenza termica totale sviluppata [W] 4. Descrizione del problema e del metodo di soluzione Viene richiesto il calcolo di pressione, temperatura e densità in tutti i punti significativi dell impianto di condizionamento. Inoltre, viene richiesto il calcolo delle portate d aria elaborata e di ricircolo. 4.1 Aria Esterna Dall equazione a calcolare la pressione statica: ricaviamo la temperatura statica, con la quale andremo La densità dell aria sarà, dunque: la quale potrà essere calcolata in questo modo in ogni stadio della trasformazione. Dopo aver calcolato la pressione in cabina dovremo scegliere la minore tra: La temperatura al 1 stadio del ciclo bootstrap potrà essere calcolata come: 5

6 la quale ci permette di determinare la pressione: 4.2 Compressore - Turbina L aria che viene inviata all impianto di condizionamento è spillata da un certo stadio del compressore. La nuova pressione dovrà essere calcolata tenendo conto del rapporto di compressione: La temperatura dell aria sarà, avendo una trasformazione adiabatica: e dunque: dove l efficienza del compressore sarà data da: 4.3 Scambiatore di calore Nei tratti 2-3 e 4-5 si considera la caduta di pressione pari al 2%. Inoltre, bisogna tener conto dell efficienza dello scambiatore stesso. 4.4 Calcolo delle portate Prima di tutto, si calcola la portata di aria totale dalla classica formula: Dalla quale si potrà ricavare la portata di aria di ricircolo, sottraendo dalla portata di aria totale quella necessaria ai passeggeri: 6

7 Infine, si potrà calcolare la portata elaborata, ricavata sottraendo dalla portata necessaria ai passeggeri la portata d aria che arriva allo stadio 7: 5. Dati del problema 5.1 Parametri dell impianto Rapporto di compressione di spillamento al motore Efficienza del compressore motore Efficienza pre-cooler Rapporto di compressione nell ACP Efficienza del compressore nell ACP Efficienza inter-cooler Efficienza della turbina 5.2 Dati generali Quota di crociera Velocità all aria Quota cabina Numero di passeggeri Portata di aria fresca da fornire ad ogni passeggero Potenza termica sviluppata da ogni passeggero 6. Calcoli e Risultati Punto 1 Aria Esterna Dalla relazione, utilizzando (gradiente standard tropopausa) e, possiamo determinare la temperatura statica: da questa ricavo e dunque la densità dell aria sarà: 7

8 Determiniamo la pressione in cabina, tenendo: Dunque la minima è: La temperatura allo stadio 1 del ciclo bootstrap sarà: con Possiamo adesso ricavare la pressione: e quindi la densità al punto 1: Punto 2 Compressore Tenendo conto del rapporto di compressione del motore: La temperatura dell aria sarà, avendo una trasformazione adiabatica: la temperatura al punto 2 sarà dunque: 8

9 e quindi la nuova densità: Punto 3 Scambiatore Tenendo conto della caduta di pressione: Punto 4 Compressore Tenendo conto del rapporto di compressione nell ACP: Punto 5 Scambiatore Tenendo conto della caduta di pressione: 9

10 6.1.6 Punto 6 Turbina Punto Calcolo delle portate Essendo la temperatura cabina e la temperatura minima di immissione in cabina, 10

11 Densità 7. Riassunto risultati 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Punto Densità [kg/m^3] 1 0, , , , , , ,868 Temperatura Punto Temperatura [K] 1 255, , , , , , ,5 Pressione Punto Pressione [Pa] 1 423, , , , , , ,3 11