Controllo ambientale 1 Scopo Assicurare ambiente di cabina sicuro, salutare e confortevole, in tutte le condizioni di volo 2
Livello di complessità Per piccoli velivoli di bassa quota: sistema di ventilazione e riscaldamento aria Per le altre categorie: sistema di pressurizzazione, condizionamento, filtraggio, distribuzione e ventilazione 3 Condizioni di comfort Pressione > 750 mb (quota equivalente 8000 ft o 2400 m) Temperatura 19 23 C Umidità relativa 20 70 % Concentrazione CO 2 < 0.5 % Concentrazione CO < 0.005 % Concentrazione O 3 < 0.25 ppm 4
Funzionamento ECS 1. Prelievo aria da impianto pneumatico 2. Processo termodinamico per raggiungere temperatura, pressione e umidità richieste 3. Mix con aria riciclata dalla cabina 4. Filtraggio 5. Distribuzione uniforme in cabina 5 Condizionamento 6
Condizionamento Piccoli velivoli: riscaldamento tramite scambiatore con gas di scarico motore Grandi velivoli: processo termodinamico per ottenere aria fredda; ciclo frigorifero con refrigerante per vani avionica etc 7 Necessità di raffreddamento Aria calda presente normalmente in impianto pneumatico Diverse fonti di riscaldamento: 1. Irraggiamento solare γ 1 2 2. Resistenza aerodinamica ( = T 1+ M ) 3. Sistemi e utenze idrauliche, elettriche e pneumatiche 4. Occupanti (70 W/persona) T S 0 2 8
Cicli di raffreddamento aria Prelievo aria da compressore Processo termodinamico Immissione in cabina (dopo mescolamento con aria riciclata) 2 tipi di cicli: Joule semplice e Bootstrap Ciclo frigorifero per vani avionica 9 Ciclo Joule 10
Ciclo joule 1-2: compressione politropica 2-3: raffreddamento isobaro 3-4: espansione politropica 11 Ciclo Bootstrap 12
Ciclo Bootstrap 1-2: compressione politropica 2-3: raffreddamento isobaro 3-4: compressione politropica 4-5: raffreddamento isobaro 5-6: espansione politropica 13 Sistema Bootstrap Macchina più costosa e complessa, ma con maggiore efficienza Permette temperature finali < 0 C 14
Deumidificazione Necessaria prima del passaggio in turbina, per evitare formazione di ghiaccio Acqua separata inviata sugli scambiatori per aumentarne efficienza 15 Efficienza scambiatori η HE = T T Aria _ in Aria _ in T T Aria _ out refrigerante _ in Scambiatori a flusso incrociato: η HE = 95% Scambiatori trasversali e ibridi: η HE = 90% 16
Efficienza turbine d espansione η T = Valori tipici: η T = 80% ( TIn TOut ) reale ( TIn TOut ) isoentropica In condizioni isoentropiche, gas perfetto: T T Out In γ p = p Out In γ 1 17 Portata necessaria e temperatura T S = T C H + m& c T S = temperatura dell aria a fine ciclo T C = temperatura richiesta in cabina H = calore da estrarre (<0) nell unità di tempo m& = portata d aria in massa c p = calore specifico Vincoli: T Smin = 10 C (comfort passeggeri) = 0.25 kg/min/pers m& min p 18
Ciclo frigorifero 19 Controllo umidità Solitamente mantenuta sotto 20% (cioè al di sotto del comfort): 1. Difficoltà di umidificare prelevando aria esterna ad alte quote (serbatoi acqua) 2. Necessità di non utilizzare troppa aria riciclata 3. Rischio di condensazione su superfici fredde, con sviluppo di corrosione e batteri 20
Pressurizzazione 21 Respirazione Composizione aria: 21% O 2, 78% N 2 Passaggio di O 2 per osmosi negli alveoli polmonari Necessaria una pressione parziale di O 2 di 10.7 kpa, ovvero pressione atmosferica di 51 KPa (5500 m) Rischio di ipossia a pressioni inferiori 22
1: aumento della pressione parziale Si aumenta la concentrazione di O 2, ovvero la pressione parziale Tipica soluzione per veicoli extraatmosferici e militari con equipaggio a postazione fissa Soluzione di emergenza per gli altri velivoli 23 2: aumento della pressione totale Cabina pressurizzata almeno a 75.3 kpa (8000 ft, 2400 m, zona fisiologica ) su velivoli civili Basso impatto sui passeggeri Contenimento carichi di pressurizzazione su fusoliera rispetto a quota cabina 0. 24
Gradiente di pressione dp/dt < 500 ft/min in salita dp/dt < 350 ft/min in discesa 25 Schematizzazione impianto 26
Controllo Computer controlla i parametri ambientali di cabina Portata regolata tramite valvola di efflusso e di ingresso, a seconda di p e condizioni ambientali 27 Valvole di sicurezza Evitano il superamento del p di progetto (valutato in base a quota di tangenza max) Evitano p negativo (discesa veloce) 28
Diagramma di pressurizzazione In funzione della quota 29 Diagramma di pressurizzazione In funzione del tempo di missione 30
Velivoli militari (equipaggio in posizione fissa) Pressurizzazione variabile fino a 20000 ft Maschere ad ossigeno a concentrazione variabile con quota cabina Generazione di O2 tramite OBOGS (onboard oxygen generation system) a filtraggio molecolare 31 Distribuzione Condizioni ambientali uniformi Invio aria tramite diffusori lungo i condotti principali Estrazione aria per il ricircolo (0-55%) e l eliminazione Filtraggio contaminanti e batteri attorno 0.3 µm 32