¿Por qué se toma el aire sangrado de alguna etapa del compresor que se usa para descongelar? ¿Por qué no, por ejemplo, los gases de escape?

En las respuestas a esta pregunta , se dice que

El sistema de deshielo en la mayoría de los aviones de turbina (incluido el MD-82 involucrado en ese accidente) utiliza aire sangrado de los motores, es decir, extrae algo de aire detrás del compresor (etapa de baja presión). Este aire por lo tanto no es expulsado de la tobera y no produce empuje, por lo que el empuje se reduce.

Mi pregunta es:

¿Por qué se usa aire de purga de alguna etapa del compresor? ¿Por qué no, por ejemplo, los gases de escape?

Para la descongelación, la temperatura del medio utilizado debe estar por encima de 0°C (hielo derretido), mientras que la temperatura ambiental suele estar muy por debajo. Por lo tanto, el motor tiene que invertir energía para generar aire de purga con una temperatura razonable, el aire se enfría a > 0 °C durante el deshielo y luego se ventila al medio ambiente. Allí, se expande y se enfría muy por debajo de la temperatura ambiental. Esta expansión significa que se desperdicia energía, y además, cuando el aire de purga se enfría/expande antes de insertarlo en el sistema de deshielo (no sé si se hace), se perdería energía. Además, se pierde aire/presión en la etapa del compresor, lo que hace que la combustión sea menos efectiva. (Nuevamente, no sé cuánto aire se toma y qué tan grande es el efecto)

Por otro lado, los gases de escape del motor están muy calientes debido a la combustión y podrían utilizarse sin necesidad de una compresión extra. Entonces, usando algo de gas de escape, uno no desperdiciaría tanta energía. Si está demasiado sucio, se pueden usar intercambiadores de calor para calentar el aire fresco.

Yo pensaría en estas razones

  • De todos modos, el aire sangrado se usa para muchos propósitos en un avión, por lo que es más económico que un sistema completamente separado.
  • El deshielo no se usa durante mucho tiempo durante el vuelo, por lo que nuevamente no es necesario un sistema dedicado

EDITAR:

Me gustaría ampliar la pregunta para explicar lo que me da curiosidad. En el comentario, se cuestiona la corrección de esta oración:

Allí, se expande y se enfría muy por debajo de la temperatura ambiental.

Este es un proceso termodinámico simple. El aire se comprime adiabáticamente, es decir, sin aportarle calor. El calor proviene de la energía térmica del aire, ahora también comprimido a un volumen menor. El deshielo enfría el aire, y al liberar el aire al ambiente, se expande a la presión original. Como se ha eliminado la energía térmica durante el deshielo, la temperatura cae por debajo de la temperatura ambiente.

Aquí está la matemática detrás:

La relación de presión y temperatura en este caso es:

pag 1 1 − γ ⋅ T 1 γ = pag 2 1 − γ ⋅ T 2 γ γ ≈ 1.4

Supongamos que un piloto enciende el deshielo durante un vuelo a 11 km de altitud. Allí, la presión ambiental es de 0,25 bar (atmósferas) y la temperatura es de -50°C (223K). También se dijo aquí en las respuestas que es posible que el aire sangrado tenga alrededor de 200 ° C (473 K). La fórmula ahora da una presión de aire de purga de 3,47 bar, por lo que una relación de presión de alrededor de 14. El aire ahora se enfría mientras el motor mantiene la presión. Supongo que el deshielo será efectivo para temperaturas del aire sangrado por encima de 0°C. Entonces, si el aire se libera a esta temperatura, la temperatura bajará a -144°C (128K). Otro número: si se libera a 100°C, la temperatura bajará a -97°C (175K).

(Por supuesto, el aire se mezclará con el aire ambiental inmediatamente)

En principio, uno puede jugar con los números, aumentar/disminuir la altitud/temperaturas y discutir qué tan adiabáticamente son estos procesos de (des)compresión.

De todos modos, este es un gran acondicionador de aire, que utiliza la energía térmica para descongelar y desperdiciar el aire enfriado. Si solo se necesita aire caliente, algo que provenga del sistema de escape siempre sería más eficiente.

Esto no es realmente eficiente. ¿Puede ser que el aire sangrado detrás del sistema de descongelación todavía se pueda usar para otros fines, ya que todavía tiene la presión?

Usted dice que el aire sangrado "se expande y se enfría muy por debajo de la temperatura ambiental". Eso es una tontería. Podría enfriarse a la temperatura ambiental (eventualmente lo hace), pero difícilmente por debajo de ella. Creo que ese pasaje debe editarse para corregirlo o aclararlo.
¡Sí, lo hace! Edité mi pregunta sobre esto (y ahora observe que la pregunta es más del doble de larga que antes...)
@sweber No creo que la segunda parte de la pregunta encaje aquí. Pero tenga en cuenta que el aire caliente presurizado se mueve a lo largo de las alas a alta presión, pierde su calor y solo se vuelve de baja presión (y por lo tanto muy frío) en el punto de liberación a la atmósfera. En ese momento, no nos importa qué tan frío se pone, y sí, se enfría más que el aire de entrada, y esencialmente forma un acondicionador de aire. Pero el escape del motor se expulsa con el flujo de aire de la turbina. Cualquier otra cosa en ese camino específico será menos eficiente en general que el aire de purga.
Particularmente si se tiene en cuenta que el deshielo de las alas no tiene que estar encendido todo el tiempo. Pero colocar algo en la ruta de escape/turbina siempre reducirá la eficiencia del motor, ya sea que esté en uso o no. Entonces, incluso si es menos eficiente cuando está en uso, durante la vida útil del avión y durante la mayoría de los vuelos es más eficiente que los gases de escape.

Respuestas (3)

Usar aire de la sección de escape, ya sea para antihielo directamente, o usar un intercambiador de calor, crearía muchos problemas.

  • El aire debe usarse primero para quemar combustible antes de llegar a un lugar de purga de la turbina. El aire tomado de la sección del compresor no ha requerido que se queme ningún combustible (aparte de comprimir ese aire, por supuesto).
  • El aire estará mucho, mucho más caliente que el aire del compresor. Las turbinas, especialmente en la sección de alta presión, están hechas de aleaciones especializadas y pueden enfriarse activamente adicionalmente para evitar que se derritan. Esto significa que se debe utilizar material más especializado y, por lo tanto, más caro y/o pesado para todo el sistema antihielo.
  • Los componentes también deben estar diseñados para el caso de esta fuga de aire de purga. El aire de turbina más caliente sería un gran problema para esto.
  • El aire tendrá los subproductos de la combustión. Esto puede cubrir el interior del sistema antihielo, reduciendo su efectividad y posiblemente requiriendo que se desmonte y limpie periódicamente.
  • Si hay algún tipo de incendio en el motor, el incendio generalmente va río abajo, lo que también lo enviaría a este sistema antihielo.
  • En el caso de utilizar un intercambiador de calor, este sería un componente más para encajar en espacios que ya son muy llenos, y aún de más peso en el avión.

El aire del compresor ya está bastante caliente. Echa un vistazo al diagrama en esta respuesta . Tenga en cuenta que todo el aire de purga del compresor pasa por el preenfriador antes de pasar al antihielo del capó o del ala. Esto significa que el aire del compresor ya está más caliente de lo necesario. Por lo tanto, tomar aire de la turbina no brinda ningún beneficio para crear los problemas enumerados anteriormente.

Además, tomar aire del compresor reduce la eficiencia del motor , pero tendrá que obtener esa energía de alguna parte.

Para abordar sus puntos sobre la termodinámica:

Suponiendo que sus números sean correctos, ¿qué hay de malo en ese escenario? Liberar aire a -97 °C que inicialmente estaba a -50 °C significa que extrajiste 47 °C de energía para usarla como antihielo, usando los sistemas ya disponibles en la aeronave (aire de purga, preenfriador). ¿Algo así como una bomba de calor, pero solo usando aire? ¿No sería menos eficiente quemar combustible para calentar este aire, que luego dejaría la aeronave a una temperatura más alta y, por lo tanto, desperdiciaría más energía?

En principio, uno puede jugar con los números, aumentar/disminuir la altitud/temperaturas y discutir qué tan adiabáticamente son estos procesos de (des)compresión .

(Énfasis agregado) No estoy convencido de que su suposición de que estos procesos son adiabáticos sea una buena base para su modelo, ya que es una idealización (aunque sus números de sangrado iniciales parecen coincidir aquí y aquí ). Un punto importante es la forma en que se utiliza el aire. Una instalación típica utiliza tubos flautín. Pequeños orificios a lo largo de los tubos liberan el aire hacia el borde de ataque. Toda esta cavidad del borde de ataque luego se ventila al medio ambiente. (Esto no parece coincidir con su suposición de que el aire se enfría a presión constante) Para que este aire siga siendo útil, tendría que devolver este aire de alguna manera para su reutilización. Esto agrega más complicaciones, cuando ya hay un suministro abundante de aire de purga comprimido disponible.

Otra opción sería mantener de alguna manera la presión detrás de las superficies con protección contra el hielo. Esto puede ser factible para la entrada del motor, pero no para los bordes de ataque de las alas que incluyen listones móviles.

Incluso suponiendo que de alguna manera pueda recuperar este aire para su uso, ese sería otro sistema y más complicaciones añadidas a la aeronave. Y no puede confiar en este sistema, porque el antihielo no siempre está en uso. Debe proporcionar una ganancia bastante grande en eficiencia para justificar agregar peso y complejidad al avión.

Tal vez le gustaría ver una prueba de que la mayor parte del trabajo realizado en el aire se usa en el proceso antihielo, y no es necesario agregar calor de la combustión. Es posible que necesitemos traer a alguien como Peter Kämpf para hacer algunos números.

también tenga en cuenta que los escapes contendrán mucha más agua como resultado del combustible quemado que solo el aire comprimido, lo que también podría ser contraproducente dependiendo de las condiciones ambientales.

Su primera razón es la principal: el aire sangrado es abundante (los motores a reacción generan mucho más de lo que "necesitan" para funcionar), ya está caliente (generalmente más de 100 ° C) y se produce a una presión relativamente alta; como sistemas antihielo, aire acondicionado de cabina y arranque de otros motores.
Se necesita poco esfuerzo en el diseño para instalar otra válvula en el sistema de aire de purga para dirigir el flujo a los sistemas antihielo.

Capturar el escape de la turbina (gases de combustión calientes) requeriría su propio hardware especial (válvulas, conductos, etc.) y medidas para enfriar los gases de combustión a una temperatura que el sistema antihielo pueda manejar (intercambiadores de calor), lo que significa más complejidad y más peso, por lo que si una aeronave ya tiene un sistema de purga de aire disponible, tiene sentido usarlo para el sistema de deshielo/antihielo en lugar de agregar otra disposición igualmente compleja para capturar los gases de combustión.

Para las aeronaves "sin sangrado" (aquellas que no tienen la capacidad de extraer el aire sangrado del compresor del motor) se utilizan sistemas de descongelación alternativos (p. ej., el 787 utiliza elementos calefactores eléctricos).
Estos también podrían usarse en aeronaves con sistemas de purga, pero tienen sus propias desventajas en términos de mantenimiento, peso y complejidad. (Los sistemas antihielo de purga de aire son comparativamente simples: algunas válvulas y tubos con orificios perforados para dejar salir el aire caliente donde se necesita. El mantenimiento y la conservación son bastante triviales).

Estaré de acuerdo con la primera oración, excepto en el despegue y el ascenso, donde la activación del aire/hielo puede tener un impacto notable en el rendimiento.
@casey Sí, obviamente, en cualquier fase del vuelo que requiera toda la potencia que el motor puede producir , cualquier sistema que aproveche esa potencia (para cualquier propósito) podría tener un impacto notable.
También tenga en cuenta que el sistema eléctrico también reduce la potencia del motor, porque la energía aún debe tomarse de alguna parte y los motores impulsan los generadores.

Estoy de acuerdo contigo en que el aire sangrado termina más frío que el ambiente, pero no que esto "significa que se desperdicia energía".

De lo contrario. Una vez que la porción de aire que estamos usando vuelva a la presión ambiental, estará más fría que antes de que el motor la absorbiera. Eso significa que se le ha quitado la energía térmica . ¿Dónde terminó esa energía? El único lugar donde puede ir es en las superficies de las alas que queríamos calentar. (Esto supone que las tuberías, etc., están tan bien aisladas térmicamente que podemos despreciar las pérdidas de calor no deseadas allí).

El resultado neto es que la cantidad de energía térmica depositada en el metal de las alas es mayor que la energía mecánica que usamos para comprimir el aire en primer lugar. Lo que suena bastante eficiente para mí.

Por otro lado, la ingeniería para que el aire de deshielo esté más caliente de lo estrictamente necesario una vez que hayamos terminado con él, sería un desperdicio.

¿Por qué se toma el aire sangrado de alguna etapa del compresor que se usa para descongelar? ¿Por qué no, por ejemplo, los gases de escape?
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