IMPIANTO DI PRESSURIZZAZIONE E CONDIZIONAMENTO

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1 Modelli numerii di impianti aeronautii IMPIANTO DI PRESSURIZZAZIONE E CONDIZIONAMENTO Prof. Luigi Puinelli

2 Sopo 2 Assiurare ambiente di abina siuro, salutare e onfortevole, in tutte le ondizioni di volo Per pioli velivoli di bassa quota: sistema di ventilazione e risaldamento aria Per le altre ategorie: sistema di pressurizzazione, ondizionamento, filtraggio, distribuzione e ventilazione

3 Condizioni di omfort 3 Pressione > 750 mb (quota equivalente 8000 ft o 2400 m) Temperatura C Umidità relativa % Conentrazione CO 2 < 0.5 % Conentrazione CO < % Conentrazione O 3 < 0.25 ppm.

4 Condizioni di benessere 4

5 Funzionamento ECS 5 Prelievo aria da impianto pneumatio Proesso termodinamio per raggiungere temperatura, pressione e umidità rihieste Mix on aria riilata dalla abina Filtraggio Distribuzione uniforme in abina

6 Impianto pneumatio 6

7 Generalità 7 Spillamento aria da ompressore Valvole Tubi Valvole Raordi Risaldamento, Pressurizzazione, Attuatori, turbine

8 Generazione in volo 8 Spillamento da 2 stadi del ompressore (uno intermedio di bassa pressione ed uno finale di alta pressione)

9 Generazione a terra 9 APU - Auxiliary Power Unit: In aumento le restrizioni d uso dell APU negli aeroporti per emissioni austihe e inquinanti Possibilità di usare sistemi alternativi per velivoli al terminal: GPU, FES, ASU e ACU.

10 Generazione a terra 10 GPU Ground Power Unit: Unità mobili di potenza elettria 115 VAC / 400 Hz o 28 VDC.

11 Generazione a terra 11 FES Fixed Energy System: Unità fisse a terra on sorgente elettria 115 VAC / 400 Hz e aria pre-ondizionata (ACU Air Climate Unit)

12 Generazione a terra 12

13 Generazione a terra 13 ASU Air Starter Unit: Unità mobili on sistema ad aria ompressa per l avviamento motori

14 Shema generazione/regolazione 14 Regolazione neessaria a ausa delle variabili ondizioni operative del motore Limitazione di spillamento aria in erti regimi del motore

15 Shema Airbus

16 Portate, pressioni e temperature 16 Portate: 2-8% della portata del propulsore 70-80% della portata dell APU Pressioni: MPa in usita dal ompressore, regolata attorno a 0.3 Mpa Temperature: C in usita dal ompressore, regolata attorno a 200 C dal pre-ooler (turbofan moderno)

17 Layout impianto pneumatio 17 Come per impianto idraulio: sotto-sistemi paralleli operati separatamente dai propulsori ridondanze ed alimentazioni inroiate per emergenze

18 Assorbimenti 18 ECS ha assorbimento max, speialmente sui grandi velivoli da trasporto passeggeri Protezione ghiaio rihiede potenze intense, ma non ontinuative Anti-pioggia e pressurizzazione serbatoi olio e aqua rihiede portate basse Avviamento propulsori rihiede portate elevate per breve tempo (da APU) Turbinette di emergenza possono rihiedere potenze elevate

19 Avviamento velivolo 19 Batterie alimentano avviatore in DC dell APU, on generatori sollegati APU genera aria ompressa, iniettata nei propulsori (on generatori sollegati) Vengono ollegati i arihi dei generatori elettrii e pompe idraulihe

20 Attuatori 20 Controllo molto meno preiso di sistema a liquido inomprimibile Solo attuatori a 2 posizioni e basso ario esterno (valvole ed inversori di spinta) Vantaggi: ampio intervallo termio e assenza tubo di ritorno

21 Condizionamento 21 Pioli velivoli: risaldamento tramite sambiatore on gas di sario motore Grandi velivoli: proesso termodinamio per ottenere aria fredda; ilo frigorifero on refrigerante per vani avionia et

22 Neessità di raffreddamento 22 Aria alda presente normalmente in impianto pneumatio Calolo termio basato su: Irraggiamento solare Convezione interna ed esterna Resistenza aerodinamia Sistemi e utenze idraulihe, elettrihe e pneumatihe Oupanti

23 Bilanio termio di abina 23 q q r ECS q in q out q met q sist q onduzione q r irraggiamento q met metabolismo oupanti q sist impianti

24 Bilanio termio di abina 24 q q r ECS q in q out q met q sist q + q + q + q + m& T m& r met sist in p in out p T out = ρ V v dt dt Vinoli: T in > 10 C (omfort passeggeri) m& > 0.25 kg/min/pers

25 Irraggiamento solare 25 Su superfiie ortogonale qs 1.1 kw/m 2. Trasparenti: riflessione e rifrazione dipendono da angolo di inidenza. q r q q in q met q sist q out q 0. 5S r r q s

26 Conduzione 26 Flusso termio attraverso la parete: Conduibilità termia della parete Temperatura di parete esterna q q C = ks dt dy = k S e ( T T ) we wi q r q in q met q sist q out Spessore Temperatura di parete interna

27 Convezione interna 27 Flusso termio tra parete e abina: q q r q I = h I S ( T T wi ) q in q met q sist q out h I = 15 W/m 2 k per abina poo ventilata h I = 25 W/m 2 k per abina molto ventilata

28 Calore metabolio 28 q q r q in q met q sist q out Condizioni Potenza termia [W] Sonno Seduto a riposo Lavoro manuale leggero Lavoro manuale moderato, ammino q met Lavoro manuale pesante 300

29 Calore dagli impianti 29 q q r q in q met q out q sist Illuminazione Motori elettrii Strumentazione Cuine ed altri sistemi di bordo.

30 Temperatura di parete esterna 30 Ipotesi di alolo: 1. onvezione forzata esterna; 2. irraggiamento dalla superfiie all esterno; 3. irraggiamento solare sulla superfiie; 4. irraggiamento atmosferio sulla superfiie; 5. irraggiamento dall onda d urto frontale; 6. irraggiamento interno della superfiie on l interno; 7. onvezione interna; 8. onduzione attraverso la superfiie.

31 Cili di raffreddamento aria 31 Prelievo aria da ompressore Proesso termodinamio Cilo termodinamio di base: Joule inverso Immissione in abina (dopo mesolamento on aria riilata)

32 Cilo Base 32 C A D B A Controllo portata e pressione ingresso B Controllo partizione aria alda/fredda C Controllo portata aria raffreddamento sambiatore D Controllo pressione abina

33 Cilo Base 33 Aria ompressa da impianto pneumatio on portata ontrollata Estrazione alore on sambiatore raffreddato on aria dall esterno Movimento aria di raffreddamento da presa dinamia, elettroventilatore, pompa a getto Espansione attraverso strozzatura on omportamento teoriamente adiabatio o attraverso turbina, ottenendo lavoro utilizzabile per movimentare l aria nel iruito di raffreddamento

34 Cilo Base 34 La temperatura all usita dello sambiatore di alore non può essere inferiore alla temperatura esterna Anhe se in volo possono bastare prese dinamihe per assiurare il funzionamento dello sambiatore di alore, a terra è neessario forzare il moto Un metodo semplie anhe se di basso rendimento è fornito dalle pompe a getto

35 Pompe a getto 35 In prima approssimazione all usita della pompa a getto si ha una energia somma delle due energie in entrata Con un getto di bassa portata e alta pressione si riese a onferire energia inetia al flusso prinipale

36 Cilo Base 36 C A B D 1-2: ompressione 2-3: raffreddamento 3-4: espansione

37 Cilo Base 37 C A B D 1-2: ompressione adiabatia 2-3: raffreddamento isobaro 3-4: espansione adiabatia

38 38 Compressori k k ad T T p p = = β β ad reale reale ad T T T T T T T T η η = = 1 2

39 Compressore 39

40 Sambiatore 40 refra refrb A B

41 Sambiatori 41 T i T fu T u T fi C = m& ( T T ) p i u = p m& f ( T T ) fu fi ΔT ΔT f = m& m& f

42 Sambiatori 42 Al limite in uno sambiatore in ontroorrente può essere T = T fu i T i T fu T u T fi p m& ΔT m& ΔT ( T i = m& < ΔT T f f u ) = ΔT f p m&... se... m& f ( T T ) fu f < fi m&

43 Sambiatori 43 Oppure T = T u fi T i T f u p m& ΔT m& f ΔT ( T i = < ΔT T m& f u ) ΔT = f p m&... se... m& f T u T fi ( T T ) fu < m& fi f

44 Sambiatori 44 Se m & < & m f T u = T fi ε = p p m& m& ( T T ) i ( T T ) i u fi = m& p pm& min ( T T ) i ( T T ) i u fi se m & < & f m T fu = T i ε = p p m& m& f f ( T ) fu T fi ( T T ) i fi = m& p f pm& min ( T ) fu T fi ( T T ) i fi on ( & & ) m & = min m m min, f

45 Sambiatori 45 ε = m& p pm& min ( T T ) i ( T T ) i u fi ε = m& p f pm& min ( T ) fu Tfi ( T T ) i fi C = p m& ( T i T u ) = p m& f ( T fu T fi ) C = ε p m& min ( T i T fi ) Note le temperature di ingresso, le portate e l effiienza si possono alolare le temperature alle usite dello sambiatore

46 Sambiatori 46 C = m p & Capaità termia oraria AU onduttanza globale C min apaità termia minore

47 Sambiatori 47 p 2 = p 1 Δ p( Q) T 2 da portate ed effiienza La portata del flusso di raffreddamento viene regolata in modo da non avere temperature troppo basse all usita della turbina 1 2

48 48 Turbine ( ) ad reale ad reale t T T T T T T T T = = η η k k ad T T p p = = β β 1 2

49 Cilo base reale - Piano TS 49 C A B D 1-2: ompressione politropia 2-3: raffreddamento isobaro 3-4: espansione politropia

50 Regolazione temperatura 50 C A D B L aria introdotta in abina deve ompensare il alore sambiato dalla abina T in = T i T vol k ( T T ) ab vol Essendo ostante la portata introdotta si deve agire sulla temperatura T v T v T e

51 Regolazione temperatura 51 La porta d aria inviata in abina è regolata a valle del ompressore (A) La temperatura dell aria introdotta in abina viene regolata variando la portata sul ramo aldo (B) C p m& ( T T ) = m& ( T T ) i p f i f A B D T i pm& T + pm& ftf = = kt + 1 p ( m& + m& ) f ( k) T f

52 Controllo umidità 52 Solitamente mantenuta sotto 20% (ioè al di sotto del omfort): Diffioltà di umidifiare prelevando aria esterna ad alte quote (serbatoi aqua) Neessità di non utilizzare troppa aria riilata Rishio di ondensazione su superfii fredde, on sviluppo di orrosione e batteri

53 Deumidifiazione 53 Ottenuta dalla ondensazione nel punto più freddo del ilo Aqua separata inviata sugli sambiatori per aumentarne effiienza C A D B

54 Separazione aqua 54 Pratiamente per gravità, le goe di aqua più pesanti adono sul fondo e possono essere raolte. Aria Aqua Per non avere separatori troppo lunghi e poter lavorare in qualsiasi ondizione si realizzano separatori he sfruttano forza entrifuga mettendo in rotazione il flusso d aria.

55 Cilo Bootstrap : ompressione politropia 2-3: raffreddamento isobaro 3-4: ompressione politropia 4-5: raffreddamento isobaro 5-6: espansione politropia

56 Cilo Bootstrap 56

57 Cilo Bootstrap 57

58 Cilo Rigenerativo 58 Consente di ottenere temperatura all usita del ilo molto inferiori È osì possibile diminuire la portata d aria, limitandola a quanto neessario per il riambio per la respirazione.

59 Cilo Rigenerativo on riirolo 59 Miselando l aria proveniente dal trattamento on quella prelevata dalla abina si riporta la temperatura dell aria introdotta a valori aettabili.

60 Cili frigoriferi 60 Cilo base Più semplie Cilo bootstrap Mahina più ostosa e omplessa, ma on maggiore effiienza Cilo rigenerativo Permette di ottenere temperatura finali deisamente più basse e quindi prelevare meno aria dai propulsori

61 Esempio Boeing

62 Esempio Boeing

63 Esempio Boeing

64 Shema A320 64

65 Shema A320 65

66 Shema BAe146 66

67 Shema BAe146 67

68 Cilo frigorifero 68

69 Pressurizzazione 69 Se il velivolo deve andare a quote superiori ai 2500m oorre un impianto per onsentire la respirazione.

70 Atmosfera 70 L atmosfera è una misela di gas Alle quote fino a ira 80km in aria libera la omposizione dell atmosfera è ostante

71 Atmosfera 71 Quote [km] % volume % massa

72 Pressione 72

73 Pressione 73 Quota [m] Pressione [atm] Pressione [mmhg] Pressione parziale O 2 [mmhg]

74 Respirazione 74

75 Respirazione 75 Anhe se persone allenate o utilizzando partiolari tenihe di respirazione riesono a sopravvivere anhe ad alte quote, per essere siuri di non avere problemi vengono mantenute pressioni minime orrispondenti alla quota di 8000 ft (2400m) Oorre inoltre tenere presente il onsumo di ossigeno he mediamente in ondizioni di riposo potrebbe essere soddisfatto on un onsumo di 0.25 kg/min aria per persona (normalmente i progettisti usano portate doppie rispetto alla portata minima rihiesta; anhe per le onseguenza sul ondizionamento

76 Problemi per bassa pressione 76

77 Pressurizzazione 77 1 Soluzione Si aumenta la onentrazione di O 2, ovvero la pressione parziale Tipia soluzione per velivoli militari on equipaggio a postazione fissa Soluzione di emergenza per gli altri velivoli 2 soluzione Cabina pressurizzata almeno a 75.3 kpa (8000 ft, 2400 m, zona fisiologia ) su velivoli ivili: Basso impatto sui passeggeri; Contenimento arihi di pressurizzazione su fusoliera rispetto a quota abina 0 (Δp max = 57.2 kpa).

78 Gradiente di pressione 78 dp/dt < 500 ft/min in salita dp/dt < 300 ft/min in disesa

79 Shematizzazione impianto 79

80 80 Regolazione della pressione ( ) = = = = = = = k p p Q V p dt dp k p p Q V RT dt dp k p p Q Q Q dt dm dt dm V RT dt dp T V m R T R p e e e e e e u e ρ ρ ρ ρ

81 Regolazione della pressione 81 dp dt = p V Q e p k p e dp dt = 0 p = p e + kq 2 e

82 Impianto pressurizzazione Compressore 2-3 Sambiatore di alore 3-4 Regolatore di pressione 4-5 Regolatore di portata 5 Cabina 6 Valvola ontrollo pressione abina

83 Esempio Boeing

84 Esempio Boeing

85 Diagramma di pressurizzazione 85 In funzione della quota

86 Profilo di pressurizzazione 86 In funzione del tempo di missione

87 Profilo di pressurizzazione 87

90 Distribuzione 90 Condizioni ambientali uniformi Invio aria tramite diffusori lungo i ondotti prinipali Estrazione aria per il riirolo (0-55%) e l eliminazione Filtraggio ontaminanti e batteri attorno 0.3 μm Impatto su passeggeri on bassa veloità, ma non nulla

91 91 Distribuzione a b ) / (, ) / (, 2 2 a a a a a a a b ab ab a ab ab Q Q k k Q k p Q Q k k Q k p = = Δ = = Δ

92 Velivoli militari (equipaggio in posizione fissa) 92 Pressurizzazione variabile fino a ft Mashere ad ossigeno a onentrazione variabile on quota abina Generazione di O2 tramite OBOGS (on-board oxygen generation system) a filtraggio moleolare

93 Velivoli ivili 93 Sistema di mashere on ossigeno per piloti Ossigeno di emergenza per equipaggio di abina e passeggeri

94 Apertura portelloni 94 Per onsentire l apertura dei portelloni all atterraggio oorre equilibrare la pressione interna a quella esterna

95 Valvola sario e ontrollo pressurizzazione 95