Wasser- und Abwassersysteme · Wasser- und Abwassersysteme - ECYS März 2004 Wasser- und Abwassersysteme Praxis-Seminar Luftfahrt Presented by Hans-Jürgen Heinrich, Dipl.-Phys. Senior

Wasser- und Abwassersysteme - ECYS

März 2004

Wasser- und AbwassersystemePraxis-Seminar Luftfahrt

Presented by

Hans-Jürgen Heinrich, Dipl.-Phys.Senior ManagerEngineeringCabin Supply Systems

( Info )

Vortrag von DGLR / VDI / HAW am 25.03.04 Dipl.-Phys. Hans-Jürgen Heinrich, Airbus Hamburg: "Wasser und Abwassersysteme in Passagierflugzeugen" http://hamburg.dglr.de

März 2004Wasser- und Abwassersysteme - ECYS Seite 2© A

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Übersicht

1. Cabin Supply SystemsVorstellung des Arbeitsbereiches

2. Anforderungen an moderne KabinensystemeWas muss bei der Entwicklung berücksichtigt werden?

3. Beispiel eines aktuellen Water/Waste Systems des Airbus A380Wie sieht so ein System im Detail aus?

4. Moderne EntwicklungsmethodenWie geht man bei der Entwicklung vor?

5. ZukunftstechnologienWelche Perspektiven gibt es für Weiterentwicklungen?


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Cabin Supply Systems

WBFwd Drainmast Aft Drainmast

Waste Panel

WasteTanks

Vacuumblowers

Waste LevelIndication System

Vacuum Toilet/Waste System ATA38

Oxygen System ATA35

Heating Systems ATA30-7

Potable Water System ATA38

WB

Compressors

C o c k p i t O v e r h e a dC o n t r o l P a n e l

C r e wS u p p ly

C r e w

M a n - O nS w i t c h

P a s s e n g e r

R e s e t

A l t it u d eP r e s s u r e

S w i t c h

Oxy

gen

Oxy

gen

Oxy

gen

Oxy

gen

Oxy

gen

Oxy

gen

O v e r b o a r dD is c h a r g eIn d ic a t o r

F i l lP o r t

P r e s s u r eR e d u c e r

L o wP r e s s u r e

S w i t c h

T

E C A M

C F C UC F C U

C e n t r a l i s e d F lo wC o n t r o l U n i t

P a s s e n g e r O x y g e n S y s t e m

M a s kC o n t a in e r

L o wP r e s s u r e

S w it c h

C M C

S /OV a lv e

F l ig h t C r e wO x y g e nS y s t e m

S C U

P o r t a b le O x y g e nE q u ip m e n t

P r o t e c t i v eB r e a t h in g

E q u ip m e n t

P o r t a b leO x y g e nC y l in d e r

B le e d /V e n t

V a lv e

IMAIMASmartController

Architecture

•Pipe heating•Equipment Heating

•Lav. Equipment•Galley Equipment

•Lav. Equipment • Floor Panel Heating• Heated Seats

Functional ClusterCAN-Bus

AFD

X

API

VSC

FA

PI


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Übersicht

1. Aufgaben der „Cabin Supply Systems“Wozu braucht man diese Systeme?






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Primäre Anforderungen an moderne Kabinensysteme:• Gewicht

� Insbesondere bei Großflugzeugen wie dem Airbus A380 ist das Gewicht ein zentrales Designkriterium für alle Systeme

• Zuverlässigkeit� Jede „Operational Interruption“ kostet Zeit und Geld und senkt langfristig die

Wettbewerbsfähigkeit• Kosten

� Auch die Entwicklungs-, System- und Betriebskosten spielen eine zentrale Rolle im Entwicklungsprozess

Darüberhinaus sind auch folgende Aspekte von Bedeutung:• Gute Wartbarkeit / Servicing

� Water Treatment, Wartungs- und Servicing-Schnittstellen• Customizing

� Flexible Architekturen, z.B. CAN-Bus. Anpassung an verschiedene Cabinen-LayoutsIntegration optionaler Komponenten (z.B. Duschen, Luftbefeuchter, etc.)

• Gute Bedienbarkeit� Komfortable Schnittstellen für Flight-Crew und Passagiere

• Umfangreiche Funktionalität� Neue Architekturen und Komponenten

Anforderungen / Randbedingungen


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Primäre Anforderung: Gewicht

Beispielhaft dazu ein paar Zahlen:Das maximale Abfluggewicht einer A380 beträgt ca. 560 Tonnen (Leergewicht 276 Tonnen)

Die Komponenten des gesamte Frischwassersystem (inklusive Tanks, Kompressoren, etc.) dürfen dabei zusammen ca. 145 kg wiegen.

Ein Frischwassertank mit 300 Liter Inhalt, der u.a. einen Überdruck von über 8 bar aushalten muss, wiegt nur ca. 13kg.

An Board einer A380 werden sich ca. 2000 Liter Frischwasser befinden.

� Alle Komponenten müssen gewichtsoptimiert entwickelt werden� Alle Einsparpotentiale müssen genutzt werden

(z.B. Reduzierung des Wasserverbrauchs)


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Anforderungen: Weitere Aspekte

Neue Konzepte werden zur Bewältigung steigender Funktionalität und Komplexität benötigt:

�Steigende Anzahl an Passagieren:

A380-Familie: Layouts mit mehr als 550 Plätzen

�Flexible Kabinen-Layouts�Neue optionale Systeme (z.B. Duschen, Luftbefeuchter, etc.)�Mehr Funktionalität gefordert durch Airlines (z.B. Fehlermeldung zum Boden)�Neue Anforderungen, Vorschriften, Standards etc. �Etc..

Typisches A380-Layout


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Übersicht







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Gesamtübersicht (Wasser & Abwasser)

AbwassersystemFrischwassersystem

Abwassertank

Ablassventil

SensorenVakuum-generator

Frisch-wasser-

tankFrisch-wasser-

tank

Fill-Drain-Ventil

Wasserauf-bereitung

KompressorFlugzeugrumpf

Sensoren

Zulaufventil

Ablauf-ventil A380Controller

CAN-Bus

CAN-Bus

Service-Panel


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Flexible elektrische Architektur

CAN#1

CAN#2

CAN#3

CAN#4

CAN#5

CAN#6

Dat

a-Tr

ansf

er

Main Deck Left Hand (MD/LH)

Upper Deck Left Hand

(UD/RH)

MCIVG LLS AAPS MPI

TA … MPIGWDU

WFCU

PWIP

PWACMC 1

FWDDrain Valve PWLS2

PWLS1 DepressSOVPWACMC 2

AFTDrain Valve

Fill/DrainValve

PWHDCUFWD LDDrain Valve

FWD LDDrain Valve

MCI Motor Controller InterfaceVG Vacuum GeneratorLLS Liquid Level SensorHAPS Hydrostatic Absolute Pressure

SensorAAPS Ambient Absolute Pressure

SensorMPI Multi Purpose InterfaceTA Toilet AssemblyGWDU Galley Waste Disposal UnitWFCU Water Faucet Control Unit

PWACMC Potbale Water Air Compressor Motor Controller

PWHDCU Potable Water Heating andDisinfection Control Unit

FWD ForwardAFT AfterLD Lower DeckPWLS Potable Water Level SensorSOV Shut-off ValvePWIP Potable Water Indication PaneHUMSOV Humidifier Shut-off ValveWSOV Water Shut-Off ValveSCU Shower Control Unit

HAPSCIDS director

MCIVG LLS AAPS MPI

TA … MPIGWDU

WFCU

HAPS

CAN#7 (opt.)

SCU

HUMSOV1 HUMDR1

HUMSOV8 HUMDR8

SCU

WSOV1

WSOV5

Option

Basis

OtherSystems

/Indications


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3

LAV16 Flush Valve InopFault: (Cabin Comfort)Jan 15 200301:36

3

3/ 3Cruise


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• Steuerung der Befüllungsprozedur• Anzeige von Fehlern• Anzeige der Systemstati • Desinfektionsauslösung• Füllstandsberechnung basierend auf

Tankkonfiguration und -geometrie• Einleitung der Depressfunktion• Zukünftig: Voreinstellung der Frischwasser-

Befüllmenge während des Flugs vom Boden aus.

• Ermittlung der Systemstati und Senden auf CAN-Bus an andere Controller

Potable Water Indication Panel


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Potable Water Treatment Module

• Kontinuierliche Wasseraufbereitung: �Temperaturregelung zum Schutz gegen Einfrieren�Schutz gegen Verkalkung�Chlorierung zur Desinfektion� Reduzierung von Desinfektionsprozeduren

• Wartungs-Desinfektionsprozedur:

�Desinfektion aller Rohre, Toiletten, Wasserhähne, Luftbefeuchter, etc.

�Komplexe, verteilte Steuerung: ca. 60 Mikrocontroller an 6 CAN-Bussen beteiligt.

�Automatiserter Ablauf mit geringen manuellen Anteilen.

� Deutlich reduzierter Wartungsaufwand


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Reduzierung des Frischwasserverbrauchs

Weiterentwickelte Toiletten

�Unterscheidung zwischen langem und kurzem Spülen

(low water consumption)

Handwaschbecken mit Infarotsensor

�Schnelle Wasserabschaltung bei Nichtgebrauch

�Technische Weiterentwicklungen zur Betriebskostensenkung (Wassereinsparungen über 250 Liter werden erreicht)


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Tank Installation

AFT Drain MastFWD Drain Mast

Potable Water Tanks


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Tank Installation

Waste Tanks/ Vacuum Generation equipment

Top view

AFT Drain MastFWD Drain Mast

Criteria for development & integration

MaintainabilityInstallation space

Structural integr.

………….Reliability

Design to manufacturing

Commonequipment/parts


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Galley Insert Equipment

Main Equipment Specific EquipmentBeverage Maker Hot Cup/Hot JugCoffee Maker Remote Water BoilerEspresso Machine Water Cooler

Water Boiler/Water Heater Post-Mix Beverage CartOvens Bun Warmer/Warming OvenConvection Oven Rice Cooker

Steam Oven ToasterMicrowave Oven Skillet/PanRefrigeration Equipment New Equipment (not at the market)

Conventional Wine Chiller Multifunctional Self Service Beverage MakerRefrigerator Induction OvenFreezer Ice Cube MakerWine Chiller connected with Potable Water System Dish Washer

OthersGalley Waste Disposal UnitConventional Trash Compactor

Galley Insert Equipment

Glass Washer


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Übersicht







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Entwicklungs- und Testkonzepte

Sinkende Entwicklungzeiten, steigende Komplexität und Customization erfordern moderne Entwicklungsmethoden:

�Pilotprojekte in der Abteilung Water/Waste für die Entwicklung und Anwendung neuer Engineering- und Testmethoden:

– Requirement based engineering (Formale Spezifikationen)• Requirement engineering im V-Modell

– Simulationsmodelle zur Entwicklung und zum Testen• Simulationsmodelle für (turbulente) Strömungen, Wärmeverteilung/-

austausch• Ein- und Mehrphasenmodele• Entwicklungs- und Testmodelle für control und monitoring

– Automatisiertes Testen und Auswerten• Testmethoden für Modul-, Integrations- und Flighttests• Smart Testcontroller • Systematisches Testen und Auswerten


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V-Modell

Simulation

Analysis

Experience

…

Documents

Components Qualification

Certification

System-definition

System-architecture

System-specification

IncrementalSystem-

Integration

Supplier

Verification of Product against PTS

and SES

AB

D10

0A

BD

200

Rev

iew

s

SRD

SDD

PTS

SES

TLSRD

Ground-Tests Flight-Tests

Laboratory-Tests

Test/VerificationEnvironment

State-Model

SimulationEquipment / Prototypes

CAN PWCUARINC 429

SYSTEM UNDER TEST

Break-Out Break-Out

CAN

CAN

VSC

CMCMCDUCIDS

AIDRUFAP

...

Simulation

Stimulation

Evaluation

Visualization

Documentation


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Teststand Wassersystem A380


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Lean Development Cabin Supply Systems

Verifikation auf der Systemebene

–

Teststand:� Orginal equipment & piping

available� Close to reality component,

function and system verification� Investigation of longterm

behaviour by accumulation „virtuell“ FH

permanent comparison/adjustment

Flight Test Phase:�Orginal equipment & piping available�Close to reality component, functionand system verification�Investigation of longterm behaviour by using FSDU to simulate pax

gel


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Integrationstests

CANVSC PWCUARINC 429

CA

N

CA

N

SYSTEM UNDER TEST

A/C-InterfaceSt

imul

atio

n

Sim

ulat

ion

Eval

uatio

n

Documentation

Break-Out Break-Out

State-ModelVisualization

Interaction DATA

CMCMCDUCIDS

ADIRUFAP

...

SimulationEquipment / Prototypes

Test Automation

ENVIRONMENT FOR TEST AND INTEGRATION

��Kontinuierliche Verbesserung der eigenen Prozesse


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Requirement Based Engineering mit RTM

SRD, PTS, simple specific reportsSRD, PTS, simple specific reports

V&V reports,...V&V reports,...

Traceability matrixTraceability matrix

Multi-view analysisTeamwork analysismulti-system analysis

Specific reportsSpecific reports

MonitoringMonitoring

Document generatorDocument generatorSRD, PTSSRD, PTS

A/C A/C reqsreqs

Prog reqsProg reqsV&V reports,...V&V reports,...



Specific Specific reportsreports


V&V reports,...V&V reports,...



Specific Specific reportsreports


RTMRTM

RTMRTM

RTMRTM


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TOP LEVELREQUIREMENTS

REQUIREMENTS

DESIGNACTIVITY

VALIDATEDEND

PRODUCT

DESIGNACTIVITY

Policy for Requirement Engineering in A380 Programme

Requirement

Based

Engineering

DESIGNEDSOLUTION= PRODUCT

Validation

& Verification

THE ENGINEERING V CYCLE

Policy for Requirement Based Engineering in A380 ProgrammeWhat is Requirement Based Engineering ?

Validation of Requirement : Check Requirements are correct, complete against upper level requirements

PRODUCT UNDER INTEGRATION

USERNEEDS

Validation of Product :Check Product against

Top Level Requirements/ User Needs

Implementation Verification :Check Product/ Design against Requirements

Requirement Based Engineering is totally embedded in the V&V Process


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1D Flow Simulation Potable Water System

• For system definition:�Pressurization procedure�Pipe design & sizing

– Pressure loss to consumers– Fill / drain times

Pressurization

Ambient MD

Ambient UDConsumer UD

Consumer MD

Valve UD

Valve MDPipe MD

Pipe UD

Pipe 1TankPipe 0Compressor

Ambient

1110

9

8

76

5432

1

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 2 4 6 8 10 12

Diameter [mm]

Flow

Rat

e [l/

min

]

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

0 200 400 600 800 1000 1200

Time [s]

Pres

sure

rise

[mba

r]

compr. perf.40 psig limit

Pipe sizing

Pressurization


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1D Flow Simulation Waste System

• Vacuum generation:�Blower sizing�Tank pressure vs. time

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0 2 4 6 8 10

Time [s]

Mas

s Fl

ow R

ate

[kg/

s]

Toilet 1Blower

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

0 2 4 6 8 10

Time [s]

Tank

Pre

ssur

e [m

bar]

Blower atfull speed

Flush valve open

Flush valve closed

T1

cabin pressure

waste tank

initialize waste tank pressure

filter

ambient pressure

check valve

ambient pressure1

2

3

4

5

6

7 8

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38

39

Vacuum System Network


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CFD Application

• Example: Tank sloshing�Sensor position�Sensor filter time�Eigenfrequency sloshing

• CFD-Model generation & verification• CFD-Model application:


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Übersicht







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Zukunftstechnologien

Entwicklung völlig neuer Technologien für das Flugzeug�Zusammenarbeit mit Universitäten, Forschungseinrichtungen

und Zulieferindustrie �Neue Standards für Passagierflugzeuge�Langfristige Forschungprojekte�Beispiele:

– OBOWAGS: On Board Water Generation System– Grauwasseraufbereitung– Warmwasseraufbereitung– Desinfektion– V&V-Methoden– etc.


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Wasser- Rezirkulation

Gewichtsreduzierung durch Wasseraufbereitung


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Wasser aus der Brennstoffzelle

Einfacher Systemaufbau auf Wasserstoffbasis (Beispiel)


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Brennstoffzellen – Stand der Technik

Erstes OBOWAGS Modul (3-Zeller Versuchsaufbau von

ZSW

und aktuelles System:

5 l/h – 10 kWel PEMFC System)

Kommerzielles PEMFC-System(250 kW Ballard Brennstoffzelle für Busse)


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Voraussichtliche OBOWAGS Entwicklungsstufen


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Wasser- und Wärmemanagement

Nutzung der Brennstoffzellen-Abwärme im Wassersystem


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Vorschau auf 2007: 50 l/h Demonstrator

Demonstratorkonzept für das Luftfahrtforschungsprogramm


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Die Ferne Zukunft: TURBIWAGS

Turbine Integrated On Board Water Generation System

1HighTemperatureFuel Cell

3Fuel

3 aEvaporator

8Fuel Compressor

4 aAir Inlet

6Slave-Turbine

5Steam

7Heat Exchanger

14 aEvaporator

14 bCondenser 15 b

Filtration Unit

15 aFiltration Unit

16Potable Water

13Condensate

30Fan

31Compressor - 1. Stage

32Compressor - 2nd. Stage

33High Pressure Turbine

34Low Pressure Turbine

4 bExhaust

The IdeaThe Idea: A High : A High Temperature Fuel CellTemperature Fuel Cell will will replace the Combustion replace the Combustion Chambers of Chambers of the the A/CA/C--EngineEngine


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Entwicklungspotentiale

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Zusammenfassung

�� Stetig steigende Anforderung in bezug auf Gewicht, Kosten, Zuverlässigkeit, Flexibilität und Funktionalität

�� Neue Architekturen und Technologien zur Bewältigung steigender Komplexität.

�� Flexibel ausgelegtes Basissystem zum Customizing�� Ergonomische Human-Machine-Interfaces für die Flightcrew�� Technische Weiterentwicklungen zur Betriebskostensenkung�� Kontinuierliche Verbesserung der Entwicklungsprozesse�� Zukunftstechnologien als Innovationsmotor

„Kabine und Customizing sind Kerngeschäft von Airbus. Nach der Revolution im Cockpit ist jetzt die Revolution in der Kabine dran. Die Kabine ist der Bereich, in dem sich die Airlines im Wettbewerb am ehesten voneinander unterscheiden können.“, G. Blanc, 16.03.04