Friday, July 18, 2008

Revolutionary Hot Air Balloon Evelope reduces engery consumtion by half - Festo has done it yet again.

A Hot Air Balloon looses a lot of its lift by the heat that radiates out of the envelope. This heat loss has to be counter acted by reheating the air inside the envelope. So how could a hot air balloon made more energy efficient and the reheating reduced? By insulating the envelope so that it doesn't loose so much heat and that is exactly what Festo has done. The company that is known for its AirJelly and AirRay lighter than air projects continues to innovate. Festo has build a hot air balloon that uses up to 70% less energy than a comparable traditional hot air balloon. This is achieved with a new material that sits on the inside of the balloon envelope. This aerofabríx® insulation not only reduces heat loss it also extends the life of the envelope by reducing the heat of the outer envelope layer. Check out the whitepapers below for the full detail, more information and additional pictures. I could imagine that this new envelope material would be of great use for Dan Nachbars Personal Blimp as well as the Gefa Flug hot air airships.

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Insulated hot - air balloon A hot - air balloon with fuel consumption reduced by half Innovative insulation sets standards in energy efficiency for balloons Volume - specific buoyancy (kg / m²) 0.40 +50 % 0.30 -50 % with 3.5 mm insulation without insulation 0.20 0.10 0.00 200 surface - specific heat output (W / m²) 300 400 500 600 700 800 Flock insulator Results of measurements on the model balloon (volume: 30 m3) Conveying five persons in a hot-air balloon for one hour consumes around the same amount of fuel as an economical passenger car during a drive from Berlin to Barcelona. Thanks to an innovative ultra - light membrane flock insulating material, the fuel consumption of a balloon can be reduced by more than 50 %, or its carrying capacity can be correspondingly increased for the same consumption rate. Insulated hot - air balloon, which was manufactured for Festo, is the world’s first balloon to include this new insulating material, which allows the number of fuel cylinders to be reduced and additional passengers to be transported. At the same time, the thermal load on the balloon material is reduced and its service life thereby extended. In the development project HeiDAS (hot-steam aerostat) by Festo, steam was used instead of hot air to fill the balloon. Steam has twice the load-bearing capacity of air; however, it necessitates insulation to prevent condensation from forming on the interior of the balloon envelope. For this purpose, flock insulation is bonded to a light but sensitive carrier foil that was first produced on commission from Festo in 2003. The membrane flock insulating material was further developed and applied to the insulated steam balloon. A new ultralight metallised base fabric transforms the foil into an insulating material suitable for everyday use in balloons. The innovative membrane flock insulating material provides the layer of air required for insulation by means of vertically oriented raised fibres on the base membrane. This membrane with its spacing elements is known as the spacing layer. The gap is closed by a covering layer. The insulting effect is determined by the width of this space, the flock pattern and the surface characteristics of the spacing and covering layers. The outer layer of the balloon envelope itself provides the insulation. The membrane flock insulating material is extremely light, highly reflective, mildly heat - reflective, temperature - resistant, compressible, readily adaptable to individual requirements and easily optimised by means of adjusting the spacing gap and the number of layers. High compressibility is a fundamental requirement, since balloons are packed and transported after a flight. Simulations and measurements carried out with test balloons have provided for initial insulation optimization and savings estimates. Subsequent measurements on the test balloons have confirmed that fuel consumption is reduced by half for a given buoyant force, or carrying capacity is considerably increased for a given quantity of fuel. 2 Insulated hot - air balloon in the air The lightweight insulation is situated on the interior of the envelope, where it is protected against the adverse effects of everyday handling; this insulation in turn protects the load bearing envelope against the effects of high temperatures. Higher temperatures than usual are encountered on the inner surface of the insulating material, while the cooler exterior of the envelope hardly radiates any heat. To test this technology in practice, the engineers from UltraMagic and the Technical University of Berlin undertook trials using a first manned and insulated test balloon with a volume of 1.600 m3, under various conditions for a period of six months. This prototype completed about 100 hours of operation, during which it attained consumption savings of more than 70 % and confirmed the material’s durability. With increasing size, the ratio of a balloon’s surface area to its volume decreases. At the same time, the internal pressure on the insulating material increases and reduces the insulating gap between the envelope layers. These effects could impair the function of the insulation. To demonstrate the effectiveness of the aerofabríx® insulation in the new Festo insulated hot - air balloon, a special race was staged: fuel consumption was measured in a direct comparison with an uninsulated balloon of the same volume and with the same load. After 40 minutes of operation, the conventional balloon had used 37.2 kg of Thermographic images without insulation (left, approx. 55° C) and with insulation (right, approx. 40° C) of model balloons with 30 m3 volume and identical load-bearing capacity propane – the contents of several tank cylinders. The insulated hot air balloon, by contrast, had consumed less than 11 kg – in other words 30 % of the fuel required by the conventional balloon; this represents a drastic improvement in energy efficiency. The insulated hot - air balloon shows what innovations are possible in lighter - than - air aviation. Festo manufactures energy - efficient products and advises its customers as to how energy can be put to even more efficient use in automation. With the insulated hot air balloon insulated balloon envelope, it will be possible to make balloon travel 50 % more efficient in future. 3 Technical data Balloontype: Volume: Envelope weight: Passengers: Fabric insulation: Thickness: Specific weight: Thermal conductivity: U value (6 mm): Max. operating temperature: M - 105 3000 m3 158 kg 4–5 aerofabríx® [Iso] 45 | 4.5 6 mm 45 g / m2 0,0265 W / mK 4,5 W / m2K 140° C Project partners Project initiator: Dr. Wilfried Stoll, Chairman of the Supervisory Board, Festo AG Project manager: Dipl. - Ing. (FH) Markus Fischer, Corporate Design Festo AG & Co. KG Envelope concept and manufacture: Josep Maria Lladó Costa, UltraMagic S.A., Igualada, Spain Material development and manufacture: Dr. - Ing. Alexander Bormann, Dipl. - Ing. Stefan Skutnik, Milan Habovcik, German Aerospace Centre (ILR), Technical University of Berlin, Germany Christian Gebhardt, aeroíx, Berlin, Germany Thermographic images and laboratory tests: Ilka Rudolph, Martin Wähmer, Maik Scheel German Aerospace Centre (ILR), Technical University of Berlin, Germany Flock technology consultants: Prof. Chokri Sherif, Birgit Mrozik Institute of Fibre and Apparel Technology (ITB), Technical University of Dresden, Germany Joachim Müller, Engineer’s office for flock technology, Büdingen, Germany Balloon operator for Festo: Rien Jurg Promotions BV, Hengelo, The Netherlands Further support and consultation: Prof. Jürgen Thorbeck, German Aerospace Centre (ILR), Technical University of Berlin Yousif Abdel Gadir, aerarium e.V., Berlin, Germany Photos: Walter Fogel, Angelbachtal, Germany Festo AG & Co. KG Corporate Design Rechbergstraße 3 73770 Denkendorf / ballooning Phone +49 / 7 11 / 347 - 38 80 Fax +49 / 7 11 / 347 - 38 99 Brand designation: aerofabríx® is a brand of Dr. - Ing. Alexander Bormann, Berlin, Germany 53342 EN

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Isolierter Heißluft - Ballon Ein Heißluft - Ballon mit halbiertem Brennstoffverbrauch Innovative Isolation setzt Maßstab bei der Energie - Effizienz von Ballonen Volumenspezifischer Auftrieb (kg/m2) 0,40 +50 % 0,30 -50 % mit 3,5 mm Isolation ohne Isolation 0,20 0,10 0,00 200 Oberflächenspezifische Heizleistung (W/m2) 300 400 500 600 700 800 Membran-Flock-Dämmstoff Ergebnisse der Messungen am Modellballon mit 30 m3 Um im Heißluftballon mit fünf Personen eine Stunde in der Luft zu schweben, wird etwa so viel Brennstoff verbrannt, wie ein sparsames Auto für die Fahrt von Berlin nach Barcelona benötigt. Mit Hilfe eines innovativen, ultraleichten Membran - Flock Dämmstoffs kann nun der Verbrauch des Heißluftballons um mehr als 50 % gesenkt bzw. dessen Tragkraft bei gleichem Verbrauch entsprechend gesteigert werden. Der isolierte Heißluft - Ballon, der für Festo gebaut wurde, ist der weltweit erste Ballon, der mit dieser neuen Isolation ausgeliefert wird. Die Isolation ermöglicht die Reduzierung der Anzahl von Brennstoffzylindern und die Mitnahme von zusätzlichen Passagieren. Gleichzeitig reduziert sich die thermische Beanspruchung der tragenden Ballonhülle, was die Lebensdauer der Hülle verlängert. Im Entwicklungs - Projekt HeiDAS (Heißdampfaerostat) von Festo, wurde anstelle von Heißluft im Ballon Wasserdampf verwendet. Dieser besitzt die doppelte Tragkraft, erfordert aber eine Isolation, um die Kondensation des Dampfes im Traggasbehälter zu vermeiden. Dafür wurde 2003 im Auftrag von Festo erstmals die Flockisolation auf leichter, aber empfindlicher Trägerfolie produziert. Der Membran-Flock-Dämmstoff wurde weiterentwickelt und auf den isolierten Heißluft-Ballon übertragen. Ein neues ultraleichtes, metallisiertes Trägergewebe macht nun aus der Folienisolation einen alltagstauglichen Ballondämmstoff. Beim innovativen Membran - Flock - Dämmstoff wird die für die Dämmwirkung erforderliche Luftschicht durch senkrecht auf der Trägermembran stehende, aufgeflockte Fasern gewährleistet. Die Trägermembran mit Abstandshaltern wird Abstandslage genannt. Der Spalt wird durch eine Decklage geschlossen. Der Abstand, das Flockmuster und die Oberflächeneigenschaften von Abstandslage und Decklage definieren die Isolationswirkung. Bei der Ballonisolation stellt die äußere Ballonhülle selbst die Decklage dar. Der Membran - Flock - Dämmstoff ist extrem leicht, hoch reflektierend, gering wärmeabstrahlend, temperaturbeständig, komprimierbar, leicht konfektionierbar und durch Spaltabstand und Lagenanzahl einfach optimierbar. Hohe Komprimierbarkeit ist eine grundlegende Forderung, da Ballone nach dem Flug verpackt und transportiert werden. Simulation und Messungen an Versuchsballonen erlaubten eine Voroptimierung der Isolation und die Abschätzung der Einsparung. Die nachfolgenden Messungen an Versuchsballonen bestätigten eine Halbierung des Verbrauchs bei gleich bleibendem Auftrieb bzw. eine deutliche Steigerung der Tragkraft bei gleichem Verbrauch. 2 Isolierter Heißluft - Ballon in der Luft Die leichte Isolation wird an der Innenseite des Ballons angebracht, womit sie vor den rauen Einwirkungen beim Handling des Ballons geschützt ist und ihrerseits nun die tragende Hülle vor hohen Temperaturen schützt. Dabei treten an der Innenseite der Isolation durchaus höhere Temperaturen als üblich auf, die kühlere Außenseite der Hülle strahlt kaum noch Wärme ab. Um die neue Technologie in der Praxis zu erproben, testeten die Ingenieure von UltraMagic und der Technischen Universität Berlin sechs Monate lang einen ersten bemannten und isolierten 1600 Kubikmeter großen Versuchsballon unter verschiedenen Einsatzbedingungen. Dieser Prototyp absolvierte etwa 100 Flugstunden, erreichte Verbrauchseinsparungen von über 70 % und bestätigt die Haltbarkeit des Materials. Mit zunehmender Größe verringert sich das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen der Ballone. Gleichzeitig steigt der Innendruck auf die Isolation und presst den isolierenden Spalt weiter zusammen. Diese Effekte könnten den Vorteil der Isolation schmälern. Um die Wirksamkeit der aerofabríx® Isolation beim neuen isolierten Heißluft - Ballon von Festo zu demonstrieren, fand eine Wettfahrt der besonderen Art statt: parallel zu einem nicht isolierten Ballon mit gleichem Volumen und gleicher Beladung galt es, den Verbrauch im direkten Vergleich zu bestimmen. Nach 40 Minuten Fahrzeit verbrauchte der konventionelle Ballon mit 37,2 kg Propan den Inhalt aus mehreren Tankzylindern. Thermografieaufnahmen ohne Isolierung (links, ca. 55° C) und mit Isolierung (rechts, ca. 40° C) an Modellballonen mit 30 m3 Volumen bei gleicher Tragkraft Der isolierte Heißluft-Ballon begnügte sich hingegen mit weniger als 11 kg und benötigte somit nur 30 % des Brennstoffs im Vergleich zum konventionellen Ballon; eine extreme Verbesserung der Energie-Effizienz. Der isolierte Heißluft - Ballon zeigt, welche Innovationen in der Leichter-als-Luft-Luftfahrt möglich sind. Festo stellt energieeffiziente Produkte her und berät seine Kunden, wie die Energie in der Automation noch effizienter genutzt werden kann. Mit der isolierten Ballonhülle ist es in Zukunft möglich, das Ballonfahren um 50 % effizienter zu betreiben. 3 Technische Daten Ballontyp: Volumen: Hüllengewicht: Passagiere: Stoffisolation: Lagendicke: Flächengewicht: Wärmeleitfähigkeit: U-Wert (6 mm): max. Einsatztemperatur: M - 105 3000 m3 158 kg 4–5 aerofabríx® [Iso] 45 | 4.5 6 mm 45 g / m2 0,0265 W / mK 4,5 W / m2K 140° C Projektbeteiligte Projektinitiator: Dr. Wilfried Stoll, Aufsichtsratsvorsitzender der Festo AG Projektleiter: Dipl. - Ing. (FH) Markus Fischer, Corporate Design Festo AG & Co. KG Hüllenkonzept und Fertigung: Josep Maria Lladó Costa, UltraMagic S.A., Igualada, Spanien Materialentwicklung und Fertigung: Dr. - Ing. Alexander Bormann, Dipl. - Ing. Stefan Skutnik, Milan Habovcik, Institut für Luft - und Raumfahrt, Technische Universität Berlin Christian Gebhardt, aeroíx, Berlin Thermografieaufnahmen und Laborversuche: Ilka Rudolph, Martin Wähmer, Maik Scheel, Institut für Luft - und Raumfahrt, Technische Universität Berlin Flock-Technologieberatung: Prof. Chokri Sherif, Birgit Mrozik, Institut für Textil- und Bekleidungstechnik, Technische Universität Dresden Joachim Müller, Ingenieurbüro für Flocktechnologie, Büdingen Betrieb der Ballone für Festo: Rien Jurg Promotions BV, Hengelo, Niederlande Weitere Unterstützung und Beratung: Prof. Jürgen Thorbeck, Institut für Luft - und Raumfahrt, Technische Universität Berlin Yousif Abdel Gadir, aerarium e.V., Berlin Fotos: Walter Fogel, Angelbachtal Marken: aerofabríx® ist eine Marke von Dr. - Ing. Alexander Bormann, Berlin Festo AG & Co. KG Corporate Design Rechbergstraße 3 73770 Denkendorf / de / ballooning Telefon 07 11 / 347 - 38 80 Telefax 07 11 / 347 - 38 99 53341 GE


david williamson said...

might it be possible to achieve the same thing by obstructing convection inside the balloon with fabric baffles?

Anonymous said...

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xl pharmacy said...

Festo is the best developer of these kind of device, I admire their work so much, seriously!

saim said...

I have read your post thoroughly and got mind blowing information.... Please send me mail if your are going to improve something advance..

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