Bu ayki yazımızda günümüz ticari havacılığında kullanılan air conditioning pack sistemlerinden kısaca bahsedeceğiz. Bu sistemler, uçak kabinini ısıtmak veya soğutmak için kullanılan klima üniteleridir diyebiliriz. Evimizdeki klimadan farkı, çalıştırmak için elektrik enerjisi yerine uçağın motorundan alınan sıcak hava kullanmasıdır. Kısaca pack diye isimlendirilen bu ünitelerde soğutulan hava uçak kabinini basınçlandırmak için kullanılır.
Motorun kompresör kademesinden alınan hava ilk önce ilk soğutucu (precooler) denilen bir çeşit ısı dönüştürücüsünde (heat exchanger) soğutulur. Precooler da sıcak bleed havası soğuk fan havası ile soğutulur. Soğuyan hava uçak pnömatik sistemine verilir. Soğuk diye ifade ettiğimiz bu havanın sıcaklığı ortalama 200°C civarındadır. Bu hava daha sonra pack sisteminde soğutulur. Pack sisteminde iki temel soğutucu vardır; Sıcak havayı atmosferden aldığımız “ram” havası ile soğutan heat exchanger lar ve air cycle machine (ACM) dir. Asıl soğutma etkisini gerçekleştiren ACM dir. ACM aynı şaft üzerinde dönen kompresör, türbin ve fandan oluşur. ACM nin kompresör kademesinde havanın basıncı yükseltilir. Basıncı yüksek hava heat exchangerlarda soğutulduktan sonra ACM nin türbin kademesindegenleştirilir. Türbinde kademesinde havanın basıncı ile beraber sıcaklığı da düşer böylece büyük bir soğutma etkisi elde edilir. Sistemin çalışması temelde aynı olmakla beraber bazı farklılıklarından dolayı iki farklı grupta incelenmektedir. Bunlar “chilled recirculating cyle” ve “condensing cyle” olarak isimlendirilmektedir.
Condensing cycle teknolojisi ilk defa Boeing777 modelinde kullanılmıştır. Daha önceki sistemlere göre daha hafif ve bakım kolaylığı sağlayan, çevrim verimliliği daha fazla, daha düşük ağırlığa sahip, daha az uçak sürüklemesi ve yakıt sarfiyatına sebep olan yüksek teknoloji sistemidir.
Geleneksel (chilled recirculating cyle) bir ECS’de (Environmental control system) bleed havası ilk önce dış ram havası tarafından primary heat exchanger da soğutulur. Hava daha sonra ACM kompresör kademesine girer, basıncı ve sıcaklığı artmış hava tekrar ram havası ile main heat exchanger da soğutulur. Basıncı yüksek hava ACM türbin çıkışındaki soğuk hava ile “condenser” denilen parçada yoğunlaştırılır. Havanın içindeki yoğunlaşmış su, su ayırıcı “water extractor” denilen parçada ayrılır. Daha sonra tekrar ısıtıcı “re-heater” denilen parçada kalan su damlacıkları buharlaştırılır. Akabinde ACM türbinine giren hava türbini dolayısıyla ACM yi çevirir.
Aynı anda ACM türbininde hava genleştirilerek basıncı da düşürülür. Basınçla beraber sıcaklık da eksi 50°C dereceler mertebesine kadar düşer. Bu sistemde “condenser” in buzlanarak tıkanması veya buz parçalarının türbine girerek zarar verme riski bulunmaktadır.
Condensing cycle ECS’de, ACM ye ikinci bir türbin kademesi eklenmiştir. Condenser iki türbin arasına yerleştirilmiştir. ACM birinci kademe türbinindeki soğuk hava, kompresörü terk eden havayı yoğunlaştırmak ve ikinci kademede türbine giren havayı soğutmak için kullanılır. Kabin havasıyla karıştırmak için gerekli olan düşük sıcaklıklar ikinci türbin tarafından üretildiğinden, ilk türbinden çıkan hava donma sıcaklığının altına düşmez ve condenser buzlanma riski önlenir. Klasik bir ECS’de hava, yoğunlaştırıcıdan geçtikten ve yaklaşık 32°C’deki kabin havasıyla karıştırıldıktan sonra gerekli 3°C pack çıkış sıcaklığının elde edilmesi için tek kademeli türbini -40°C civarında terk eder. Yoğunlaştırma çevrimli ECS’de hava, birinci kademe türbini 2°C’de terk eder, hava condenserden 37°C’de çıkar ve daha sonra sıcak kabin havasıyla karıştırılmadan önce ikinci kademe türbinde -12°C’ye tekrar soğutulur. Klasik sistemlerdeki gibi aniden şok bir soğutma olmadığı için buzlanma veneticesinde vuku bulan akışın azalması veya türbin hasarı riski en aza indirilmiştir.
Yoğunlaşma döngüsü maliyet ve karmaşıklık getirmektedir ancak avantajları daha düşük ağırlık ve daha az bakım gerektirmesidir. B777 ECS’si aynı kapasitedeki konvansiyonel döngü sistemine göre %15 daha hafiftir. Bu, yeni çevrimin daha yüksek verimliliğinden kaynaklanmaktadır. ACM birinci kademe türbinden çıkan soğuk hava, ‘kompresörden gelen sıcak havayı yoğunlaştırır, bu yoğuşma ısısı ikinci kademe türbinde geri kazanılır, böylece verimlilik artar.
B777 ECS’nin ayrıca yüksek irtifa ekonomi modu vardır. Ekonomi cooling denilen bu modda, birinci kademe türbin ve su ayırma devresi By-Pass edilerek hava akışı arttırılır. Böylece, hem motor bleed talebini hem de ram hava akışını en aza indirgeyerek uçak sürüklemesi azaltılır ve yakıt ekonomisi geliştirilir. Önümüzdeki sayılarda airconditioning sistemde yeni bir sayfa açan B787 pack sistemine de kısaca değineceğiz.