Le pré-conditionnement des avions au sol

Le pré-conditionnement des avions au sol
Ce projet à été élaboré à partir d’un problème conçu par Dominique.Marchio du club ALET (Aides Logicielles pour
l'Enseignement de la Thermodynamique)
La climatisation dans les avions permet de veiller au bon confort des occupants, de : maintenir la température intérieure, de
renouveler l’air intérieur, d'assurer le maintien hors gel des équipements sanitaires. Le problème posé porte sur le
conditionnement d’air des avions au sol. Cette question a été posée dans les termes qui suivent à la Commission Européenne :
Objet : Aéroports et environnement :
- La commission sait-elle que les « Auxiliary Power Unit » (APU), à bord des avions au sol, utilisés pour générer de
l’électricité et assurer la climatisation sont une source sérieuse de nuisances qui préoccupe les riverains, le personnel ainsi
que les passagers des aéroports ?
- Sait-elle qu’il existe des systèmes qui rendent l’utilisation de ces APU presque superflue, que ceux-ci réduisent au minimum
les nuisances sonores (le bruit pouvant atteindre jusqu'à 103 dB) et les émissions de substances polluantes (qui représentent,
par exemple, plus de 30 tonnes de CO2 par année pour un aéroport d’importance moyenne) et permettent en outre une
économie d’énergie d’au moins 90% ?
- Sait-elle que les charges liées à l’utilisation de l’APU sont de deux à huit fois plus élevées que les charges d’exploitation
des systèmes mentionnés au point 2 qui sont actuellement mis au point ?
- Sait-elle que pour des raisons écologiques, différents aéroports ont interdit l’utilisation de l’APU, sauf pour les 5 minutes
qui suivent l’atterrissage et les 5 à 10 minutes qui précèdent le départ ?
N’estime - t’elle pas, en conséquence, qu’au nom de l’égalité en matière de concurrence et qu’au nom de la protection
de l’environnement, il conviendrait de rendre obligatoire l’utilisation des systèmes mentionnés au point 2 pour les
manœuvres au sol, à l’exception des préparatifs de départ, pour lesquels il convient de fixer un minutage précis ?
Turbine APU
Climatisation en vol par cycle de Joule avec prélèvement d’air comprimé sur le turbo-réacteur
clim a tisa tio n
en v o l
tu rb o -ré a c te u r
p rélev em en t d ’air co m p rim é su r le tu rb o -réa cteu r
- 5 0 °C
-5 0 °C
échangeur
échangeur
c h a m b re d e
c o m b u stio n
p o u ssé e
T u rb in e
T e ntré e = 1 3 0 0 K
η is = 0 ,8 8
C o m p re sse u r
η is = 0 ,8 2
δ to t = 1 4
A ir
c o m p rim é
δ = 9
C o m p r.
η is = 0 ,8 2
T u rb in e
η is= 0 ,8 8
δ = 3 ,3
a rb re d e tra n sm issio n
e n tra în é p a r la tu rb in e
K é ro sè n e
A ir e x té rie u r
- 5 0 °C
p = 0 ,2 6 4 b a rs
a rb re d e
tra n sm issio n
e n tra în é p a r la
tu rb in e
T = 2 0 °C
P = 0 ,7 2 b a rs
d é b it = 3 0 m3 /h
p a r p e rso n n e
c a b in e
Le cycle consiste à prélever de l’air comprimé au niveau du compresseur du turbo réacteur. Le taux
de compression est de 9. L’air extérieur en altitude standard (10 000 m) est de 0,264 bars ; à cette
altitude, sa température est de – 50°C. L’air est comprimé, puis refroidi par un simple échange avec
l’air extérieur. Ensuite, l’air est détendu ce qui abaisse sa température. Après réchauffage final, il est
soufflé dans la cabine pressurisée à une pression de 0,72 bars (équivalent de 2600 m). Le débit d’air
soufflé correspond au respect des besoins hygiéniques (30 m3/h par personne).
Le schéma ci-dessus est donné pour information. On ne fera pas l’étude de la climatisation en vol. Il
sera cependant utilisé pour l’étude du turboréacteur (voir question 5).
Etude proposée
Répondre à la question concernant la consommation d’énergie en faisant toutes les hypothèses
nécessaires et en utilisant le logiciel Thermoptim. Estimer l'économie d’énergie réalisable en
remplaçant l‘APU par une climatisation décentralisée au sol.
L'APU est une turbine à gaz située sous l’empennage des avions et qui est utilisée avant le démarrage
des réacteurs pour produire l’électricité et la climatisation de l’avion au sol (pré-conditionnement).
On cherche à répondre à la question : Est-ce qu’on peut vraiment faire une économie d’énergie si on
remplace les APU par une climatisation au sol ? Cela revient à estimer la consommation de kérosène
pour l’APU et la consommation de combustible pour la centrale de production d’eau glacée.
1 – Estimer les « charges thermiques » d’un gros porteur au sol, rempli de passagers. Interpréter
les courbes fournies par le constructeur.
Données du problème :
500 personnes à bord
Chaque personne dégage
110 W
Température intérieure :
Tintérieure= 20°C
Température extérieure :
Textérieure = 32°C
On suppose que l’avion est un cylindre de diamètre 7 m et de longueur 57 m
Coefficient d’échange thermique (double tôle + isolant) : K= 0,3 W/°C/ m2de surface périphérique
Coefficient d’absorption de la carlingue : α = 0,5
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h = 20 W/°C/ m2de surface périphérique
qsolaire = 750 W/m2 de surface au sol
qéquipement=50 W/m2 de surface au sol
Coefficient d’échange convectif au sol :
Flux solaire incident (soleil au zénith) :
Eclairage + équipement intérieur :
Qsolaire
Text = 32°C
Qconvection
Qparoi
s
Qéquipement intérieur
Qéclairage
Qoccupation
500 passagers
Tint = 20°C
En déduire le débit et la température de soufflage.
Aide : Pour calculer la puissance thermique transmise par les parois de l’avion, on pourra utiliser la
formule suivante après justification :
&
Q
Transmis = K S péri (Tsurface − Tint érieure ) = h S péri (Texterieure − Tsurface ) + α S sol q solaire
Calculer la température de surface sur la paroi extérieure de l’avion
2 – Climatisation au sol par APU
climatisation au sol et production d’air comprimé par APU
32°C
APU
Turbine
T entrée =1300K
η is = 0,88
échangeur
Air
comprimé
δ =3
chambre de
combustion
alterna
teur
32°C
échangeur
Compresseur
η is = 0,82
δ = 1O
Compr.
η is = 0,82
Turbine
η is= 0,88
T Soufflage
arbre de transmission
entraîné par la turbine
Kérosène
électricité 400 Hz
alimentation ventilateur
air comprimé
pour démarrage
turbo-réacteurs
arbre de transmission
entraîné par la turbine
Air extérieur
32°C
1 bar
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T = 20°C
P = 1 bars
débit = 30 m3 /h
par personne
constant
cabine
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Climatisation au sol par cycle de Joule avec production d’air comprimé par APU (turbine à gaz)
L’APU remplace le turbo réacteur ; c’est une turbine à gaz qui sert à la compression de l’air. Ses
autres fonctions sont de produire l’électricité nécessaire (400 Hz) à l’avion au sol et de produire de
l’air comprimé qui servira au lancement des réacteurs. L’air est cette fois prélevé avec un taux de
compression de 3 (donc à 3 bars environ ; ainsi la turbine de climatisation est alimentée dans des
conditions de pression proches de celle du vol). Ensuite, le cycle est identique - l’échangeur de
refroidissement nécessite un ventilateur et la pression dans la cabine est de 1 bar. ). Le débit d’air
soufflé correspond au respect des besoins hygiéniques (30 m3/h par personne).
2.1 : Climatisation (compresseurs, turbine réfrigérante).
L’efficacité du l premier échangeur est ε = 0,37. Les pertes de charge sont ∆Pech=0,05 bar pour chaque
échangeur et ∆PCC = 0,1 bar pour chaque chambre de combustion.
Pour l’étage réfrigérant (compresseur & turbine) on fera tout d’abord une étude en fluide parfait avec
de l’air (γ =1,4) en négligeant les pertes de charge. Montrer que dans cette approche, on peut écrire
plusieurs équations entre les variables. La résolution de ces équations en fluide parfait pourra être
obtenue avec le SOLVEUR de EXEL ou par "Valeur cible" de OPENOFFICE, par exemple. On
déterminera en particulier le taux de compression, le taux de détente et on déduira l’efficacité du
deuxième échangeur, pour avoir la température se sortie turbine égale à la température de soufflage.
On n’oubliera pas d’équilibrer le travail fourni par la turbine réfrigérante et le travail de compression.
A partir de cette étude on affinera les divers paramètres avec le logiciel THEROPTIM.
Le refroidissement par l’air extérieur se fait par convection forcée à l’aide de ventilateurs de taux de
compression égal à 1,02. Calculer les puissances consommées par les ventilateurs.
Nota :
Dans THERMOPTIM, comme combustible de référence en remplacement du kérosène, on pourra
prendre le gaz pur répertorié sous le sigle : C7,2H13`carb dont les caractéristiques
thermodynamiques sont proches de celles des vapeurs de kérosène (Ip= 42 000 KJ/kg).Densité du
kérosène liquide d = 0,8.
Pour les deux échangeurs, on supposera que le débit masse du fluide froid (air extérieur) est à peu
prés le double du débit masse du fluide à refroidir. La circulation forcée de l’air dans les
échangeurs est réalisée par des ventilateurs.
2.2 : Turbine APU.
Par l’étude de la turbine APU, déterminer le débit masse d’air et le débit masse de combustible si on
désire une puissance nette minimale sur l’arbre de l’ordre de 150 kWatts afin de satisfaire aux besoins
en électricité (ventilateurs, cabine, puissances annexes,…). Quelle est la consommation de kérosène
(en kWh et en litres/h) pour une heure de fonctionnement.
3 – Solution climatisation au sol par groupe mobile
Cette solution évite le fonctionnement de l‘APU au sol nécessite aussi qu’on raccorde électriquement
l’avion à une borne d’alimentation). Dans cette dernière solution, on dispose d’une production
d’électricité par moteur Diesel. Et d’un groupe refroidisseur d’eau qui permet d’alimenter un
échangeur (eau – air) installé dans une centrale de traitement d’air. Contrairement aux cas
précédents, ce n’est pas la contrainte hygiénique qui fixe le débit d'air mais le niveau de température
de soufflage. Celle ci ne peut être pour des raisons technologiques inférieure à 15°C.
Tout d’abord , on estimera le débit de soufflage et la chaleur extraite par la centrale de traitement de
l’air. La température de soufflage pourra être prise à environ 15 °C. La circulation forcée de l’air à
refroidir se fait par un ventilateur de taux de compression égal à 1,02.
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clim atisation au sol par centrale de traitem ent d’air alim entée en eau glacée
air comprim é
pour démarrage
turbo-réacteur
condenseur
moteur
diesel
alternateur
Compr.
η is = 0,85
détendeur
évaporateur
12°C
fuel
électricité
400 H z
7°C
réseau
d’eau glacée
A vion
P = 1 bars
Air extérieur
32°C
1 bars
V entilateur
T au=1,02
η is =0,82
Centrale
de T raitement
d’Air
T s =15 °C
débit = ?
cabine
Déduire la consommation du groupe en élaborant un cycle réfrigérant. On utilisera comme fluide
frigorigène du R134a par exemple. On pourra prendre un écart de températures de l’ordre de 10°C à
l’évaporateur et au condenseur du cycle réfrigérant. On en déduira le débit masse du fluide
frigorigène, la puissance thermique évacuée au condenseur ( circulation forcée à l’aide d’un
ventilateur de taux de compression 1,02), l’efficacité du cycle et la consommation de combustible
(C7,2H13`carb) du moteur Diesel qui entraîne le compresseur. Pour le moteur Diesel, on pourra
utiliser le diagramme et le projet fournis dans les bibliothèques de THERMOPTIM.
On n’oubliera pas de comptabiliser les puissances des ventilateurs.
4 – Comparaison des solutions
Faire les bilans thermodynamiques des deux solutions envisagées. Comparer en particulier les
consommations en Kérosène en litres par heure du moteur diesel et de la turbine APU.
Commentaires. Faire dans chaque cas un bilan global d’énergie et comparer les rejet de CO2.
5 – L’avion (deux turboréacteurs) consomme au total 14 400 litres/heure de kérosène à Mach 0,9, en
déduire le débit d’air nécessaire à sa propulsion, la poussée, la vitesse d’éjection des gaz brûlés, les
températures, les caractéristiques de la combustion, le taux de détente dans la tuyère. (Nota : Utilisez
les courbes jointes, tenir compte de la compression due à la vitesse de l’avion). Evaluer la masse de
CO2 rejetée à l’atmosphère pour un vol de 6 000 km en altitude. Comparer cette émission de CO2 au
rejet d'une voiture ( 120 à 160 g/km) ou pour l'ensemble des passagers ( 2 à 4 personnes par voiture).
Nota : Dans cette partie, on ne demande pas de refaire la théorie du turboréacteur. Mais de donner
les principales caractéristiques du vol subsonique.
Les courbes fournies en annexes sont obtenues pour une température de 1300 K en entrée de turbine et
pour les rendements isentropiques suivants:
- Compresseur 0,82
- Turbine 0,88
- Tuyère 0,90
- Diffuseur d’entrée 0,98
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Charge thermique de l'avion
1000
900
800
Débit massique d'air soufflé en kg/min
700
600
500
400
300
200
100
0
-10
-5
0
5
10
15
20
Température de soufflage en °C
500 pers
0 pers
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Turboréa cteur en vol Ma c=0,9 pext=0,264 ba r et text= - 50°C
1,40
1,35
1,30
1,25
1,20
Π
1,15
1,10
1,05
1,00
0,95
0,90
0,85
0,80
π, η
0,75
0,70
0,65
0,60
0,55
0,50
ηth
0,45
0,40
0,35
0,30
ηthp
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
1
5
9
13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93
ta ux de compression
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