Gerenciamento térmico de aeronaves: análise da viabilidade de um trocador de calor de superfície integrado com o combustível da aeronave - Martins, Henrique Carreira [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023)
Prover um gerenciamento térmico adequado a bordo de aeronaves comerciais atuais tem-se mostrado um desafio nos últimos anos e tende a ser ainda maior para as aeronaves do futuro. A crescente eletrificação dos sistemas associada com a miniaturização dos componentes eletrônicos são os principais responsáveis por esse cenário. Para suprir as necessidades de resfriamento dos diversos sistemas de uma aeronave, alguns modelos de trocadores de calor vêm sendo estudados. Um deles, foco do presente trabalho, consiste em um modelo de trocador de calor de superfície acoplado a um duto de combustível, este último responsável por transportar o calor de diferentes sistemas da aeronave. Este modelo é interessante porque a baixa temperatura do ar atmosférico durante algumas operações da aeronave, em conjunto com velocidades elevadas, favorece a troca de calor de superfície, e pode contribuir com a redução de peso e arrasto da aeronave ao não empregar outros fluidos refrigerantes, nem aberturas na superfície do avião para extração do ar. Diante disso, criou-se um modelo numérico baseado no balanço de energia com o intuito de, inicialmente, explorar a capacidade da asa dissipar calor por convecção forçada externa, onde observou-se que a técnica é promissora. Posteriormente, um duto de combustível quente foi integrado na superfície interna da asa. Através dessas modelagens foram avaliados cenários com o combustível inicialmente a 350 K escoando sob vazões de 1, 10 e 100 kg/s, para as operações de Taxiamento, Decolagem, Subida e Cruzeiro de uma aeronave semelhante ao A320. Em quase todos os casos, o calor dissipado pelo trocador foi superior ao calor gerado pela aeronave, sendo as exceções apenas para as condições de Taxiamento e Decolagem com vazão mássica de combustível de 1 kg/s. Vazões mássicas mais elevadas indicam que o trocador de calor proposto é uma técnica promissora, principalmente para velocidades de operação mais baixas.

Providing adequate thermal management on board of current commercial aircraft has been challenging in recent years and is expected to be even greater for future aircraft. The increasing electrification of systems, combined with the miniaturization of electronic components, is mainly responsible for this scenario. To meet the cooling needs of various aircraft systems, some models of heat exchangers have been studied. One of these models, the focus of this study, consists of a surface heat exchanger coupled with a fuel duct responsible for carrying heat from different aircraft systems. This model is interesting because the low temperature of the atmospheric air during certain aircraft operations, combined with high speeds, promotes surface heat exchange and can contribute to reducing the weight and drag of the aircraft by not using other refrigerant fluids or openings in the aircraft’s surface for air extraction. In light of this, a numerical model based on energy balance was created to initially explore the wing’s capacity to dissipate heat through external forced convection, which was promising. Subsequently, a hot fuel duct was integrated into the wing’s internal surface. The simulations evaluated scenarios with fuel initially at 350 K flowing at rates of 1, 10, and 100 kg/s for the Taxiing, Takeoff, Climb, and Cruise operations of an aircraft similar to the A320. In almost all cases, the heat dissipated by the heat exchanger was greater than the heat generated by the aircraft, with exceptions only for the conditions of Taxiing and Takeoff with a fuel mass flow rate of 1 kg/s. Higher mass flow rates indicate that the proposed heat exchanger is a promising technique, especially for lower operating speeds.
Aircraft thermal management: feasibility analysis of a surface heat exchanger integrated with aircraft fuel
Keywords: Permutadores térmicos; Calor Convecção; Combustíveis; Análise térmica