La scelta dello stato di riferimento

L’entropia generata, calcolata nello studio exergetico con i due riferimenti differenti, è confrontata con l’analisi entropica condotta. Usando quest’ana- lisi come base si riscontra che il modello globale, che usa il suolo come rife- rimento, ha un risultato più prossimo con un errore del 3,31 [%] . Il modello con lo stato di riferimento sul motore presenta un risultato con un errore del 6,38 [%] in rapporto all’analisi entropica.

Figura 4.4: Schema dei flussi exergetici del bilancio globale del motore con riferimento al suolo.

Si possono fare le seguenti considerazioni:

- il risultato dell’analisi entropica è indipendente dal riferimento scelto; - le analisi exergetiche abituali (focalizzate su sistemi fissi o che si muovono

al suolo) usano come stato di riferimento il suolo: con questa base pos- sono essere applicate le relazioni abituali per il calcolo dei vari termini dell’exergia. Usando come riferimento un gas (aria), che si trova ad una grande altitudine, le cui caratteristiche sono ottenute attraver- so modelli standard atmosferici, possono generarsi errori difficilmente quantificabili e probabilmente crescenti con la quota;

- per un’analisi locale dei componenti di un motore a getto può es- sere usato un riferimento indipendente dalla quota, poichè l’obiettivo è studiare il funzionamento e le prestazioni relative dei componenti; - per un’analisi globale di una missione, sia rapportando fasi puntuali, sia

studiando integralmente tutto il volo, usare un riferimento fisso sembra la soluzione migliore:

- quantitativamente, l’entropia generata, calcolata nella fase di vo- lo alla quota maggiore (crociera), è molto prossima all’entropia generata secondo l’analisi entropica;

- da un punto di vista relativo, usare riferimenti diversi per ogni fase di volo e confrontare i risultati ottenuti può creare errori poichè il massimo lavoro realizzabile (exergia) dall’aria dipende dal rife- rimento, mentre l’exergia specifica del combustibile praticamente non varia con la quota.

Con queste considerazioni si analizza tutta la missione dell’aereo ponen- do il riferimento fisso al suolo, usando una temperatura ed una pressione rispettivamente di 298, 15 K e 1, 01325 bar.

4.3.4

Risultati

Nella figura 4.5 è mostrata la suddivisione exergetica riscontrata nella fase di crociera. I risultati di tutte le fasi puntuali di volo sono riassunte nella figura 4.6, mostrati singolarmente nell’appendice D, e riassunti nella tabella 4.3.

Si nota che la somma del termine di exergia relativa della trazione e delle estrazioni (che includono le estrazioni di potenza e di aria dal fan e dal com- pressore) rappresenta l’efficienza exergetica, secondo la seguente relazione:

Tabella 4.3: Distribuzione percentuale dei flussi exergetici nelle fasi di volo anti-ice OFF. Fase 1 2 3 4 7 8 Exergia Distrutta [%] 64 68 71 69 71 83 Exergia Persa [%] 26 11 5 5 13 11 Exergia Trazione [%] 9 20 23 25 15 4 Exergia Estrazioni Aria e Potenza [%] 1 1 1 1 1 2

ηb = P i B˙i P j B˙j (4.23) Dove:

i rappresenta i flussi utili di uscita; j rappresenta i flussi di ingresso.

Queste efficienze sono riassunte nella tabella 4.4.

Tabella 4.4: Efficienza exergetica in ogni fase di volo.

N◦ Fase Descrizione fase Efficienza exergetica [%] 1-OFF Take-off 10,06 2-OFF Climb 20,71 3-OFF Climb 24,07 4-OFF Cruise 25,46 5-OFF Descent 20,37 6-OFF Descent 13,94 7-OFF Holding 16,34 8-OFF Landing 5,87 1-ON Take-off 10,55 2-ON Climb 21,01 3-ON Descent 14,86 4-ON Holding 17,44 5-ON Landing 8,14 64

Figura 4.5: Suddivisione exergetica nella fase di volo 4-OFF - Crociera.

I grafici analizzati insieme forniscono una serie di importanti informazioni e conclusioni:

- La fase di maggior durata nel volo è la crociera. In questa fase si trova la maggiore efficienza exergetica, 25 [%], il che mostra, come ci si aspettava, che il punto di progetto del motore è il più efficiente (ed anche che le prestazioni dei motori aeronautici sono basse);

- L’efficienza exergetica, intorno al 10 [%] nella fase di decollo, cresce lungo la missione fino ad arrivare al valore massimo in crociera. In se- guito diminuisce nuovamente fino all’atterraggio, dove assume il valore minimo, 6 [%];

Tabella 4.5: Exergia totale distrutta nelle varie fasi di volo in condizioni anti-ice OFF.

Fase Exergia Totale Distrutta [%]

1 4 2 25 3 5 4 36 5 3 6 9 7 19 8 <1

trazione. Questo risultato introduce un’interessante ed utile considera- zione: una maggiore efficienza non è ottenuta primariamente attraverso una maggiore efficienza del funzionamento del propulsore in sè (si nota che l’exergia distrutta dal motore non varia monotonamente tra decollo e crociera), ma attraverso una costante diminuzione dell’exergia persa all’uscita dovuta alle condizioni di volo;

- Nell’analisi delle fasi con il sistema anti-ghiaccio in funzione si nota che l’exergia utile delle estrazioni è giustamente maggiore, arrivando ad assumere un valore proporzionalmente simile a quello della trazione all’atterraggio.

Questi risultati sono estremamente validi per analizzare in modo approfondi- to le reali prestazioni e funzionamento del motore in una missione completa. È necessario commentare che in due fasi, quelle di discesa, si sono riscon- trati problemi dovuti al riferimento usato ed alle particolari caratteristiche di funzionamento del propulsore.

Il bilancio globale presentato si riferisce alle fasi puntuali della missione. È condotta anche un’analisi integrale che considera la durata delle fasi (mostrate nelle tabelle 2.2 e 2.3). Questo studio permette di rapportare, in tutti i mo- menti del volo, l’exergia distrutta puntualmente (proporzionale alla trazione ed alla portata di combustibile) alla durata della fase, permettendo di valu- tare quali sono i momenti critici di volo. Il risultato è mostrato nella figura 4.8 ed in tabella 4.5, che definisce chiaramente che la crociera, pur avendo la maggior efficienza exergetica, è la condizione nella quale è distrutta la maggior quantità di exergia poichè è la fase più lunga del volo.

Figura 4.6: Suddivisione exergetica nelle fasi di volo con l’impianto anti- ghiaccio OFF.

Figura 4.7: Suddivisione exergetica nelle fasi di volo con l’impianto anti- ghiaccio ON.