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Kraftstoff als alternative Wärmesenke für zukünftige Flugzeugkonzepte

Das Bauhaus Luftfahrt untersucht Kraftstoff als alternative Wärmesenke, um den Kühlbedarf zukünftiger Flugzeuge zu decken. Mit der Einführung von teilweise elektrischen Antriebssystemen wird der Kühlbedarf im Vergleich zu heutigen Flugzeugen voraussichtlich um bis zu einer Größenordnung steigen. Für Hybridkonzepte stellt der Kraftstoff eine mögliche Alternative als Wärmesenke im Vergleich zur traditionell verwendeten Stauluft dar. Er hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität und Dichte. Außerdem wird der Kraftstoff in flügelintegrierten Tanks gelagert, sodass die Flügel als Wärmetauscher mit der Umgebungsluft fungieren können, ohne dass sich die benetzte Oberfläche des Flugzeuges erhöht. Darüber hinaus kann die Masse des Kühlsystems durch kürzere Übertragungswege und kompaktere Komponenten reduziert werden.

In einer ersten Studie wurde ein parallel-diskret-hybridelektrisches Kurzstreckenflugzeug mit einer maximalen Wärmebelastung von 120 kW untersucht. Das erste entwickelte Modell ist stationär, wobei jedoch mehrere Betriebspunkte berücksichtigt wurden. Ein Kraftstoffstrom absorbiert die gesamte Abwärme des elektrischen Antriebssystems und zirkuliert unter der Flügelhaut, um die Wärmeübertragung an die Umgebungsluft zu verbessern. Das System ist in der Lage, die gesamte Abwärme unter allen Betriebsbedingungen mit Ausnahme des Rollens am Boden abzuführen. Während des Fluges hat das konservativ dimensionierte System die Fähigkeit, temporäre Spitzenbelastungen aufzunehmen. Die Studie zeigte, dass Kraftstoff eine geeignete alternative Wärmesenke für Flugzeuge mit großen Abwärmebelastungen ist. Das bestehende Modell wird weiterentwickelt, um die Leistung unter schwierigen Bedingungen, wie beispielsweise beim Rollen, weiter zu untersuchen und zu optimieren.

  • Thermodynamisches Modell eines flügelintegrierten Kraftstoffwärmetauschers: Abwärme (Qin) wird auf kalten Kraftstoff aus dem Tank übertragen. Der heiße Kraftstoff zirkuliert dann unter der Flügeloberfläche, um die Wärmeübertragung an die Umgebung zu verbessern (Qout).Thermodynamisches Modell eines flügelintegrierten Kraftstoffwärmetauschers: Abwärme (Qin) wird auf kalten Kraftstoff aus dem Tank übertragen. Der heiße Kraftstoff zirkuliert dann unter der Flügeloberfläche, um die Wärmeübertragung an die Umgebung zu verbessern (Qout).
  • Leistung des kraftstoffbasierten Kühlsystems: Tatsächliche Wärmeübertragungsrate, normiert mit der erforderlichen Wärmeübertragungsrate (Q/Qreq) über dem Kraftstofffluss (wf) für verschiedene maximale Brennstofftemperaturen an verschiedenen Betriebspunkten.Leistung des kraftstoffbasierten Kühlsystems: Tatsächliche Wärmeübertragungsrate, normiert mit der erforderlichen Wärmeübertragungsrate (Q/Qreq) über dem Kraftstofffluss (wf) für verschiedene maximale Brennstofftemperaturen an verschiedenen Betriebspunkten.