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Exergy-based analysis of aircraft environmental control systems and its integration into model-based design
Bender, Daniel
Aircraft environmental control systems are complex energy intensive systems and the most important non-propellant consumer of energy among all aircraft systems. The intense pressure on airlines to remain competitive on the global market demands more efficient aircraft greater than ever. Meaningful analysis methods for the evaluation of architectural designs and effective modeling and simulation tools are crucial for the development of modern aircraft environmental control systems. This thesis contributes to both aspects: exergy-based methods as a powerful tool for the analysis of aircraft environmental control systems and its integration into a model-based design environment.
Aircraft environmental control systems (ECSs) operate in highly varying environments. Exergy analysis, by its nature, is performed with respect to a reference environment. Requirements coming from the particular boundary conditions for aircraft are identified and applied to exergy-based methods. Based on these findings, formulations of the exergy balances are provided on the component as well as the system level. A particular focus is put on splitting the individual exergy stream into thermal, mechanical and chemical parts. The definition of the reference environment is still an open issue in the scientific world. A comprehensive discussion on how to define the reference environment for the analysis of aircraft ECS is presented and concluded with a recommendation how to solve this issue.
In modern aircraft design, the industry uses design parameters such as fuel weight penalties and gross take-off weight for the evaluation of aircraft ECS. The conventional exergy-based method locates the thermodynamic inefficiencies within a system and evaluates the components regarding exergetic efficiency. Exergy analyses have been applied to environmental control systems for more than 20 years. This thesis presents a methodology for combining the aircraft fuel weight penalties with the conventional exergy analysis. Further, an approach was developed to apply advanced exergy methods to aircraft ECS and split the exergy destruction in avoidable and unavoidable parts.
The combination of these methods locates the thermodynamic inefficiencies, identifies the avoidable part of the exergy destruction and measures its impact on aircraft level in terms of fuel consumption. Using this tool chain, an assessment can be made of the real potential for optimization. Two example ECS architectures are used to apply the developed methodologies. The conventional bleed air driven pack and electric driven vapor cycle pack architectures are modeled with the object-oriented, equation-based modeling language Modelica. An exergy library was developed with the capability to integrate the exergy analysis into thermo-fluid systems. The exergy balances are provided within sensor models that can be implemented into the component models of the thermo-fluid system. The exergy analysis is then performed during simulation for each component and on system level. The developed methods are applied to both example pack architectures to demonstrate the applicability in general and the advantage of the integration into the model-based design environment. The results clearly show the added value of the combination of the traditional aircraft design parameters and exergy-based methods.
Flugzeugklimaanlagen sind komplexe hoch energetische Systeme und nach dem Vortrieb der größte Verbraucher von Treibstoff unter allen Flugzeugsystemen. Die Nachfrage nach effizienteren Flugzeugen ist durch den enormen Wettbewerbsdruck für Airlines stärker denn je. Aussagekräftige Analysemethoden zur Bewertung von Architekturentwürfen und mächtige Modellierungs- und Simulationswerkzeuge sind ein wesentlicher Bestandteil der Entwicklung moderner Flugzeugklimaanlagen. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zu beiden Aspekten. Exergiebasierte Methoden als mächtiges Werkzeug für die Analyse von Flugzeugklimmaanlagen auf der einen Seite, und die Integration dieser Methoden in eine modellbasierte Entwicklungsumgebung auf der anderen Seite.
Flugzeugklimaanlagen (ECS) arbeiten in stark variierenden Umgebungsbedingungen. Exergieanalyse wird von Natur aus gegenüber einer Referenzumgebung angewendet. Aus den luftfahrtbezogenen Randbedingungen werden Anforderungen für die Exergyanalyse abgeleitet und auf diese angewandt. Basierend auf diesen Randbedingungen werden Formulierungen für die Exergieblanzen auf Komponenten- und Systemebene vorgestellt. Es wird hierbei besonders auf die Aufteilung des Exergiestroms in seine thermalen, mechanischen und chemischen Teile eingegangen. Die Platzierung der Referenzumgebung ist in der wissenschaftlichen Welt noch nicht abschließend geklärt. Die Definition der Referenzumgebung wird umfassend diskutiert und abschließend wird eine Empfehlung gegeben, wie eine geeignete Definition für die Anwendung der exergiebasierten Methoden auf Flugzeugklimaanlagen aussehen könnte.
Heutzutage werden für den Flugzeugentwurf Auslegungsparameter wie der spezifische Treibstoffverbrauch und das brutto Abfluggewicht für die Bewertung von Flugzeug ECS verwendet. Mithilfe der konventionellen Exergiemethode kann genau identifiziert werden, wo thermodynamische Ineffizienzen auftreten und die Effizienz der entsprechenden Komponenten bewertet werden. Exergiebasierte Methoden werden nunmehr schon seit 20 Jahren für die Bewertung von Flugzeugklimaanlagen verwendet. Diese Arbeit stellt eine Methodik vor, mit der die Auslegungparameter aus dem Flugzeugentwurf mit exergiebasierten Methoden verknüpft werden können. Diese Kombination lokalisiert die Orte der thermodynamischen Ineffizienzen, identifiziert den vermeidbaren und nicht vermeidbaren Anteil und berechnet deren Auswirkung auf den Treibstoffverbrauch auf Flugzeugebene. Mithilfe dieser Werkzeuge kann nun das reale Optimierungspotential abgeschätzt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die entwickelten Methoden auf zwei Beispielarchitekturen angewendet. Eine Zapfluftklimaanlage und eine elektrisch betriebene Vapor Cycle Klimaanlage wurden in der objektorientierten, gleichungsbasierten Modellierungssprache vModelica modelliert. Eine Exergiebibliothek wurde entwickelt um die exergiebasierten Methoden für die Integration in Thermofluid Systeme bereitzustellen. Die Exergiebilanzen sind in Sensormodellen integriert, die in die Komponentenmodelle des Thermofluid Systems implementiert werden können. Auf diesem Weg wird die Exergieanalyse auf Komponenten- und Systemebene im Rahmen der Simulation ausgeführt. Die Anwendbarkeit der entwickelten Methoden wurde anhand beider Beispielarchitekturen gezeigt und die Vorteile der Integration in eine modellbasierte Entwicklungsumgebung herausgearbeitet. Die Resultate zeigen einen klaren Mehrwert durch die Kombination der klassischen Auslegungsparameter des Flugzeugentwurfs und exergiebasierter Methoden für die Bewertung von Flugzeugklimaanlagen.
