Innovative Solutions For The Thermal Control Of Aeronautic Vehicles

I sistemi di controllo termico e i sistemi antighiaccio sono due delle utenze che assorbono maggiore energia su un aeroplano; questi due sistemi assorbono insieme due volte la somma di tutta la potenza assorbita dagli altri systemi (elettrico, meccanico ed idraulico). Dei sistemi di controllo termico ed antighiaccio più efficienti ridurrebbero il consumo specifico dell'aeroplano incrementandone il raggio operativo ed il massimo carico pagante. Il sistema antighiaccio è inoltre anche un sistema critico per la sicurezza del volo: un suo guasto implica l'annullamento della missione e l'atterraggio nel più vicino aeroporto. Questa tesi presenta i risultati di alcuni modelli matematici sviluppati per studiare le prestazione dei sistemi sopramenzionati e le strategie per ridurre i loro impatti sul consumo di carburante del velivolo. I modelli sono stati sviluppati utilizzando AMEsim e Simulink. In particolare il modello matematico che descrive il comportamento delle valvole pneumatiche in linea è stato creato. Il modello usa le equazioni fondamentali della termodinamica e le equazioni differenziali della meccanica per simulare il comportamento delle valvole. Il modello matematico riproduce i risultati sperimentali all'interno della loro incertezza. Il modello, così validato, è usato per esplorare il comportamento delle valvole e dei loro sottocomponenti proponendo due possibili soluzioni per allargare il campo di utilizzo delle valvole e diminuire l'influenza della pressione e della temperatura sulla pressione regolata. Il secondo modello di dettaglio creato calcola le prestazioni degli scambiatori compatti a piastre a alette ondulate. Il modello basato sul lavoro di Kays & London include alcuni migloramenti relativi alla dscrizione geometrica degli scambiatori ed alle correlazioni empiriche utilizzate per calcolare il numero di Stanton. I tests eseguiti su tre differenti scambiatori sono stati utilizzati per validare il modello sviluppato; il modello matematico è capace di predire le prestazioni degli scambiatori con una accuratezza compatible con la maggioranza delle applicazioni industriali. I modelli di dettaglio sviluppati sono stati utilizzati per simulare il comportamento dei sistemi dove sono installati. Il comportamento di un sistema antighiaccio che opera a temperature estremamente alte è stato analizzato. Una architettura innovativa è proposta ed i suoi benefici sul consumo di carburante in una missione standard sono presentati. Le prestazioni di un ciclo inverso Brayton-Joule sono state analizzate ed è proposta una nuova possibile strategia di controllo basata su di una valvola installata in serie al compressore ed alla turbina. I limiti dell'architettura proposta sono esposti studiando il caso di un sistema utilizzato per raffreddare dell'equipaggiamento elettronico. I benefici dell'uso di un sistema Brayton-Joule inverso che non utilizza aria spillata dai motori (approccio bleedless) sono dettagliati con particolare attenzione al guadagno ottenuto sul consumo di carburante. La tesi si conclude con i risultati delle simulazioni del sistema a compressione di vapore saturo. Alcune soluzioni tecniche per adattare un'architettura basata su di un compressore a cilindrata fissa sono spiegate; queste soluzioni sono orientate ad aumentare l'affidabilità del compressore evitando la continua accensione e spegnimento anche con bassi carichi termici. Un compressore a cilindrata variabile migliora l'efficienza globale del sistema sull'intero profilo di missione (alto COP nella fase di crociera). Due strategie, una per il compartimento passeggeri ed una per il raffreddamento dell'avionica, che ampiano l'inviluppo operativo (in termini di carico termico minimo) di un sistema equipaggiato con un compressore a cilindrata variable sono presentati.