Innovative Solutions For The Thermal Control Of Aeronautic Vehicles

The ECS and the anti-ice systems are two of the energy consumers for an aircraft; they absorb together two times the sum of the power of all the other systems (electrical, mechanical and hydraulic). More efficient ECSs and a more efficient anti-ice sub-systems would reduce the aircraft fuel consumption increasing the operative radius of the vehicle and also increasing the maximum useful load. The anti-ice sub-system is not only a key energy consumer but it is also a system critical for the flight safety: a failure of this system means a mission abort and the landing on the nearest airport. This thesis presents the results of several mathematical models which have been developed to study the performance of the aforementioned systems and the strategies to reduce their impacts on the aircraft fuel consumption. The models have been developed using AMEsim and Simulink. In particular a mathematical model, which describes the behavior of the inline pneumatic valves, have been created. The model uses the fundamental thermodynamic and mechanical differential equations to simulate the dynamic behavior of the valves. The mathematical model reproduces the results of the experimental tests within their uncertainty. The validated model has been used to explore the behavior of the valve and its own subcomponents proposing two possible solutions to increase the operative range of the valves and to decrease the influence of the pressure and temperature on the regulated pressure. The second detailed mathematical model created calculates the performance of the plate and wavy fins compact heat exchangers. The model, based on the work of Kays & London, includes some improvements related to the description heat exchanger geometry and related to the empirical correlations used to calculate the number of Stanton. The tests performed on three different heat exchangers have been used to validated the developed model; the mathematical model is able to predict the performance of the performance of the HXs with an accuracy compatible with most the industrial applications. The developed detailed models have been used to simulate the behavior of the system where they are installed. The behavior of an anti-ice system at extreme high bleed air temperature has been analyzed. An innovative architecture for anti-ice system is studied and the benefits on aircraft fuel consumption for a standard day mission are shown. The performance of an reverse Brayton-Joule cycle has been analyzed and a new possible control strategy based on a line installed in series to the air cycle machine is proposed. The limits of the proposed architecture are exposed studying the case of a system used to cool some electronic equipment. The benefits of the use of a reverse Brayton-Joule system which does not use the air bled from the engine (bleedless approach) are detailed with particular attention to the gain in terms of fuel penalty. The thesis ends with the results of the VCS simulations. Some technical solutions to fit a fixed displacement compressor architecture into an aircraft are explained; the solutions are oriented to increase the reliability of the compressor avoiding a continuous switch on and off even with low heat loads. A variable displacement compressor improves the overall efficiency of the system on a full mission profile (high COP in the cruise phase). Two strategies, one for passenger compartments and one for electronic cooling, which are able to expand the working envelope (in terms of minimum heat load) of the variable displacement compressor architecture are proposed.

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.