Untersuchung alternativer Flugzeugklimaanlagen auf Basis des Kaltdampfprozesses

Die Herausforderungen der modernen Luftfahrt sind wesentlich bestimmt durch die Ökonomie sowie den Umwelt- und Klimaschutz. Dadurch steht bei der Entwicklung neuer Flugzeuge besonders die Verbesserung der Energieeffizienz bzw. die Reduktion des Brennstoffverbrauchs im Mittelpunkt. Dies soll zu einem großen Teil durch effizientere Triebwerke mit höheren Nebenstromverhältnis, der zunehmenden Elektrifizierung aller Subsysteme sowie der allgemeinen Weiterentwicklung einzelner Subsysteme erreicht werden. Die Herausforderungen machen es damit auch notwendig, neue Ansätze zur Verbesserung der Flugzeugklimaanlage zu betrachten. In aktuell eingesetzten Passagierflugzeugen werden nahezu ausschließlich Flugzeugklimaanlagen auf Basis des Kaltgasprozesses mit pneumatischen Antrieb durch die Triebwerkszapfluft eingesetzt. Der Ersatz des zugrundeliegenden Prozesses durch einen Kaltdampfprozess bietet ein großes Potential zur Erhöhung der Energieeffizienz bei den gegebenen Randbedingungen. Außerdem muss die Verwendung der Zapfluft als Antrieb aufgrund der Verwendung neuer Triebwerke mit hohem Nebenstromverhältnis sowie potentieller Gesundheitsrisiken überdacht werden. Eine Möglichkeit ist dabei die Nutzung eines elektrischen Antriebs. Weiterhin kann ein Teil der Kabinenabluft, die normalerweise direkt aus dem Flugzeug geleitet wird, in der Klimaanlage zur zusätzlichen Generierung von Leistung verwendet werden. In dieser Arbeit werden die identifizierten Ansätze zu insgesamt sieben Varianten alternativer Flugzeugklimaanlagen weiter entwickelt. Diese Systeme werden dann besonders im Hinblick auf den Brennstoffverbrauch mit dem aktuell eingesetzten Referenzsystem verglichen und bewertet. Die Berechnung der thermodynamischen Zustände der Klimaanlagen, die für den Vergleich notwendig sind, erfolgt über ein selbst entwickeltes Berechnungsmodell. Auf Basis der verschiedenen Anforderungen und Randbedingungen wird dabei eine zweigeteilte Prozesssimulation für neun Betriebsfälle durchgeführt. Während der vereinfachten Auslegungsrechnung werden die wesentlichen Prozessparameter festgelegt. Die darauf folgende Nachrechnung beinhaltet detaillierte Modelle für Wärmeübertrager und Turbomaschinen. Letztere werden über selbst generierte und optimierte Kennfelder implementiert. Die Ergebnisse zeigen für jede neu konzeptionierte Klimaanlage ein deutliche Verringerung des Brennstoffverbrauchs im Vergleich zum Referenzsystem. Die elektrisch angetriebenen Aggregate erreichen eine Reduktion auf 20 % bis 60 % und die pneumatisch betriebenen Systeme auf 40 % bis 80 %.:Vorwort Kurzfassung Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungs- und Symbolverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Problemstellung und Motivation 1.2 Zielsetzung und methodischer Aufbau der Arbeit 1.3 Historischer Überblick und Stand der Technik 2 Anforderungen und Randbedingungen 2.1 Umgebungsbedingungen und Atmosphärenmodell 2.2 Stau- und Außenluft 2.3 Zapfluft 2.4 Kabinenbedingungen 2.5 Flugprofil 2.6 Sicherheitsanforderungen und Designziele 2.7 Betriebskennfeld 3 Konzepte zur Verbesserung der Energieeffizienz 3.1 Anwendung des Kaltdampfprozesses 3.2 Pneumatischer und elektrischer Antrieb 3.3 Kabinenabluftnutzung 3.4 Umluftkühlung 3.5 Kältemittelauswahl 4 Neu entwickelte Prozesse der Flugzeugklimaanlagen 4.1 Pneumatisch angetriebene Systeme 4.1.1 System PN1 ohne Kabinenabluftnutzung 4.1.2 Systeme PNK1, PNK2 und PNK3 mit Kabinenabluftnutzung 4.2 Elektrisch angetriebene Systeme 4.2.1 Systeme EL1 und EL2 ohne Kabinenabluftnutzung 4.2.2 System ELK1 mit Kabinenabluftnutzung 5 Prozesssimulation 5.1 Aufbau des Berechnungsmodells 5.2 Thermodynamische Grundlagen 5.3 Elemente im Prozess 5.3.1 Wärmeübertrager 5.3.2 Turbomaschinen 5.3.3 Mischung 5.3.4 Aufteilung 5.3.5 Wasserabscheider 5.3.6 Drosselorgan und Druckminderer 5.4 Validierung 6 Wärmeübertragermodell 6.1 Wärmeübertragergeometrie und Diskretisierung 6.2 Berechnungsverfahren und iterativer Löser 6.2.1 Energieerhaltung mit Wärmedurchgangsberechnung 6.2.2 Impulserhaltung mit Druckverlustberechnung 6.3 Programmablaufpläne 6.4 Validierung 7 Turbomaschinenmodell 7.1 Vereinfachte Auslegung der Turbomaschinen 7.1.1 Turbine 7.1.2 Radialverdichter 7.2 Erstellung und Optimierung der Turbomaschinenkennfelder 7.2.1 Kennfelderstellung 7.2.2 Grundlagen evolutionärer Algorithmen 7.2.3 Kennfeldoptimierung 7.3 Einbindung des Turbomaschinenmodells in die Prozesssimulation 8 Berechnungsergebnisse und Bewertung der Flugzeugklimaanlagen 8.1 Grundlagen der Bewertung 8.1.1 Zusätzlicher Brennstoffverbrauch durch Zapfluftentnahme 8.1.2 Zusätzlicher Brennstoffverbrauch durch Entnahme von Wellenleistung 8.1.3 Zustätzlicher Brennstoffverbrauch durch Lufteinlässe 8.2 Ergebnisse der Auslegung und Berechnung der Flugzeugklimaanlagen 8.2.1 Massenströme 8.2.2 Elektrische Leistungsaufnahme 8.2.3 Abschätzung der Systemmasse 8.3 Bewertung und Vergleich der Effizienz 8.4 Auswertung der neu entwickelten Flugzeugklimaanlagen 9 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang A Mathematische und physikalische Ergänzungen A.1 Herleitungen A.1.1 Druckverlauf der isothermen Atmosphäre A.1.2 Druckverlauf der adiabatischen Atmosphäre A.2 Ergänzungen A.2.1 Isentropenbeziehungen A.2.2 Adiabatische Rohrströmung mit Reibung Anhang B Wärmeübergangs- und Druckverlustkorrelationen B.1 Wärmeübergang B.1.1 Gültigkeitsgrenzen B.1.2 Korrelationen für den einphasigen Wärmeübergang im Rohr B.1.3 Korrelationen für das Strömungssieden im Rohr B.1.4 Korrelationen für die Strömungskondensation im Rohr B.1.5 Korrelationen für den einphasigen Wärmeübergang an Lamellenrohrwärmeübertragern mit eingeschlitzten Lamellen B.1.6 Korrelationen für den einphasigen Wärmeübergang an Lamellenrohrwärmeübertragern mit wellenförmigen Lamellen B.1.7 Korrelationen für den einphasigen Wärmeübergang im Plattenwärmeübertrager B.1.8 Korrelationen für den einphasigen Wärmeübergang im Rippenplattenwärmeübertrager B.2 Druckverlust B.2.1 Gültigkeitsgrenzen B.2.2 Korrelationen für den einphasigen Druckverlust im Rohr B.2.3 Korrelationen für den zweiphasigen Druckverlust im Rohr B.2.4 Korrelationen für den einphasigen Druckverlust an Lamellenrohrwärmeübertragern mit eingeschlitzten Lamellen B.2.5 Korrelationen für den einphasigen Druckverlust an Lamellenrohrwärmeübertragern mit wellenförmigen Lamellen B.2.6 Korrelationen für den einphasigen Druckverlust im Plattenwärmeübertrager B.2.7 Korrelationen für den einphasigen Druckverlust im Rippenplattenwärmeübertrager Anhang C Schaltbilder C.1 Pneumatisch angetriebene Kaltluftkühlsysteme C.2 Pneumatisch angetriebene Kaltdampfkühlsysteme C.3 Elektrisch angetriebene Kaltdampfkühlsysteme Anhang D Modellparameter D.1 Betriebskennfeld D.2 Systemparameter Anhang E Berechnungsergebnisse und ausgelegte Bauteile E.1 Prozesssimulation E.2 Lufteinlässe und -kanäle E.3 Wärmeübertrager E.4 Turbomaschinen Anhang F Sonstiges F.1 Selbstständigkeitserklärun