Architettura della cold air unit

In ambito aeronautico sono utilizzate principalmente due architetture del sistema di condizionamento: il vapor cycle system (VCS) e l’air cycle system (ACS). Nei paragrafi seguente verrà descritto il funzionamento di queste due differenti architetture.

2.6.1 Vapor cycle system

L’architettura vapor cycle system (VCS) viene utilizzata per il controllo termico dei velivoli di piccole dimensioni e degli elicotteri che non richiedono la pressurizzazione della cabina. Nei velivoli di grandi dimensioni questa architettura viene utilizzata per la refrigerazione della cambusa e quando necessario della baia avionica.

Il vapor cycle system basa il suo funzionamento sul ciclo frigorifero, ovvero, un ciclo termodinamico in grado di trasferire calore da un ambiente a bassa temperatura a uno a temperatura superiore. Ciò è possibile utilizzando un fluido refrigerante che fluisce in un circuito chiuso. Per molti anni, il diclorodifluorometano (R12) è stato il refrigerante standard utilizzato nei sistemi di condizionamento d'aria a ciclo di vapore degli aeromobili. Però l’R12 ha un effetto negativo sull'ambiente e quindi, nella maggior parte dei casi, è stato sostituito dal tetrafluoroetano (R134a). Si applica un lavoro di compressione per far passare il fluido dallo stato gassoso a liquido; la compressione e il cambiamento di stato producono calore, che viene estratto dal ciclo.

Successivamente, il liquido è fatto espandere ed evaporare, sottraendo calore nel cambiamento di stato, producendo il voluto effetto frigorifero.

Nel vapor cycle system sono presenti i seguenti componenti (Figura 2.12):

• Compressore: ha il compito di innalzare la pressione del fluido refrigerante. Durante questo passaggio si registra un aumento significativo della temperatura portando il fluido refrigerante nella fase di vapore surriscaldato (tratto 1-2: Figura 2.13). Il compressore, per esser mosso, necessita del lavoro esterno;

• Condensatore: Il fluido percorre la serpentina del condensatore e, attraverso una trasformazione isobara, cede calore e comincia a raffreddarsi fino a raggiungere lo stato di vapore saturo secco (tratto 2-2’: Figura 2.13). Sempre a pressione costante, il vapore comincia a condensare (tratto 2’-3: Figura 2.13)

• Receiver drier: funge da serbatoio del fluido refrigerante. Si trova a valle del condensatore e a monte della valvola di espansione. Quando fa molto caldo, il sistema utilizza più refrigerante rispetto a quando le temperature sono moderate. A tale scopo, nel drier viene immagazzinato del refrigerante extra. Il refrigerante liquido dal condensatore fluisce nel drier dove sono presenti dei filtri che rimuovono eventuali particelle estranee. È presente un materiale assorbente che cattura l'eventuale presenza di acqua nel refrigerante che può provocare due problemi. Il refrigerante e l'acqua possono reagire formando un acido che a contatto con l'interno dei componenti e dei tubi deteriora i materiali con cui sono realizzati. Il secondo problema risiede nella possibile formazione di ghiaccio che potrebbe bloccare il flusso del refrigerante, rendendo inoperante il sistema.

• Valvola di espansione: il fluido entra nella valvola di espansione e subisce una trasformazione isoentalpica che ne diminuisce la pressione e la temperatura e ne aumenta il volume (tratto 3-4: Figura 2.13).

• Evaporatore: nell’evaporatore il fluido, che prima era allo stato liquido, diventa vapore attraverso una trasformazione isoterma e isobara, assorbe calore fino a raggiungere lo stato iniziale 1, così da ricominciare un nuovo ciclo.

• Fan: forza l’aria esterna o di cabina attraverso il condensatore o l’evaporatore.

Figura 2.12: Schema vapor cycle system [4]

Figura 2.13: Ciclo frigorifero [4]

2.6.2 Air cycle system

L’air cycle system (ACS) è un’architettura ampiamente utilizzati per il condizionamento dei velivoli di medie e grandi dimensioni poiché combina leggerezza, ingombro ridotto e semplicità.

Con questa architettura si fornisce aria fresca pressurizzata necessaria per mantenere le condizioni di comfort per gli occupanti.

Esistono diverse tipologie di air cycle system:

1. Simple;

2. Two-wheel bootstrap;

3. Three-wheel bootstrap;

4. Four-wheel bootstrap;

Di seguito verranno analizzate separatamente le diverse tipologie di ACS.

2.6.2.1 Simple

L’aria calda e compressa proveniente dall’impianto pneumatico subisce un primo raffreddamento in uno scambiatore di calore aria-aria per poi entrare in turbina ed essere ulteriormente raffreddata (Figura 2.14). Il lavoro della turbina è utilizzato per muovere un fan montato sul suo stesso albero. Il fan, mosso dalla turbina, serve a forzare il flusso secondario che alimenta lo scambiatore di calore, permettendo al sistema di funzionare anche quando il velivolo è fermo al suolo.

Figura 2.14: Schema simple ACM.

2.6.2.2 Two-wheel bootstrap

Questa tipologia di ACM è costituita dal compressore e dalla turbina collegati con un unico albero di trasmissione (Figura 2.15). Il fan del flusso secondario riceve la potenza meccanica da un motore elettrico dedicato.

In questa architettura è presente un ulteriore scambiatore di calore, in modo tale da ottenere, rispetto al caso precedente, maggiore capacità di refrigerazione. Infatti, a parità di pressione, con questa configurazione, si ottengono temperature dell’aria in uscita dal sistema inferiori.

Figura 2.15: Schema two-wheel bootstrap ACM

Turbine Compressor Fan

2.6.2.3 Three-wheel bootstrap

Rispetto al caso della two-wheel bootstrap nell’albero di trasmissione, che collega la turbina ed il compressore, è stato aggiunto il fan del flusso secondario, in questo modo viene rimosso il motore elettrico, come si può notare dalla Figura 2.16. Con questa architettura la turbina fornisce potenza sia al compressore che al fan. I vantaggi sono dati dalla riduzione del peso e del power budget elettrico del sistema. Tale configurazione genera le medesime velocità di rotazione a tutti gli organi collegati, pertanto il sistema non può essere ottimizzato.

Figura 2.16: Schema three-wheel bootstrap ACM

2.6.2.4 Four-wheel bootstrap

In questo caso l’ACM è dotata di due turbine separate: una turbina ad alta pressione che aziona il compressore e una turbina a bassa pressione che aziona il fan del flusso secondario (Figura 2.17). In questo modo, il fan e il compressore sono liberi di funzionare a velocità diverse ottimizzando le loro prestazioni. L’aspetto negativo di questa architettura è l’aumento degli ingombri e della complessità del sistema.

Figura 2.17: Schema four-wheel bootstrap ACM

Turbine Compressor Fan

Turbine 2 Turbine 1 Compressor Fan