BR102016002786B1

BR102016002786B1 - Sistema de controle ambiental para uma aeronave, e, método para realizar um modo de arrefecimento de permutador de calor

Info

Publication number: BR102016002786B1
Application number: BR102016002786-1A
Authority: BR
Inventors: Louis J. Bruno; Donald E. Army Jr.; Thomas M. Zywiak; Erin G. Kline; Christina W. Millot; Harold W. Hipsky; Paul M. D'orlando
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corporation
Priority date: 2015-02-11
Filing date: 2016-02-10
Publication date: 2023-01-24
Also published as: BR102016002786A2; CA2920611C; CN105857618B; CN105857618A; CA2920611A1; US9994322B2; EP3056433B1; US20160229542A1; EP3056433A1

Abstract

SISTEMA, E, MÉTODO PARA REALIZAR UM MODO DE ARREFECIMENTO DE PERMUTADOR DE CALOR. Um sistema, que inclui uma pluralidade de permutadores de calor e um dispositivo de compressão, está configurado para preparar em paralelo um meio que sangra a partir de um local de baixa pressão de um motor e que flui através de uma pluralidade de permutadores de calor para dentro de uma câmara. O dispositivo de compressão está em comunicação com uma pluralidade de permutadores de calor e regula a pressão do meio que flui através da pluralidade de permutadores de calor.

Description

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[001] Em geral, no que diz respeito aos presentes sistemas de ar condicionado da aeronave, a pressurização e arrefecimento da cabine são alimentados por pressões de sangria do motor em cruzeiro. Por exemplo, o ar pressurizado a partir de um motor do avião é fornecido a uma cabine por meio de uma série de sistemas que alteram as temperaturas e pressões do ar pressurizado. Para alimentar esta preparação do ar pressurizado, a única fonte de energia é a pressão do ar em si. Como um resultado, os presentes sistemas de ar condicionado sempre requereram relativamente elevadas pressões em cruzeiro. Infelizmente, em vista de uma tendência global na indústria aeroespacial no sentido de aeronaves mais eficientes, as pressões relativamente altas fornecem eficiência limitada no que diz respeito ao consumo de combustível pelo motor.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[002] De acordo com uma modalidade, um sistema compreende um meio que flui a partir de um local de baixa pressão de um motor para uma câmara; uma pluralidade de permutadores de calor; uma válvula situada a montante a partir da pluralidade de permutadores de calor, a válvula configurada em paralelo para dividir o meio através de pelo menos um primeiro permutador de calor e um segundo permutador de calor de uma pluralidade de permutadores de calor.

[003] De acordo com outra modalidade, um método compreende a recepção, por uma primeira válvula, de um meio que flui a partir de um local de baixa pressão de um motor para uma câmara; dividindo-se em paralelo, pela primeira válvula situada a montante de uma pluralidade de permutadores de calor, o meio através de pelo menos um primeiro permutador de calor e um segundo permutador de calor de uma pluralidade de permutadores de calor; e combinando, por uma segunda válvula, um fluxo do meio que sai do permutador de calor secundário com um fluxo do meio que sai do primeiro permutador de calor.

[004] As características e as vantagens adicionais são realizadas com as técnicas da presente invenção. Outras modalidades e aspectos da invenção são descritos em detalhe aqui e considerados uma parte da invenção reivindicada. Para uma compreensão melhor da invenção com suas vantagens e características, consulte à descrição e aos desenhos.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[005] O objeto que é tido como invenção é especificamente salientado e distintamente reivindicado nas reivindicações e na conclusão do relatório descritivo. Outros e demais recursos e vantagens da invenção são evidentes a partir da seguinte descrição detalhada tomada em conjunto com as figuras anexas nas quais:

[006] Figura 1 é um diagrama de um esquema de um sistema de controle ambiental de acordo com uma modalidade; Figura 2 é exemplo de operação de um sistema de controle ambiental de acordo com uma modalidade; Figura 3 é um exemplo de um fluxo de processo de um sistema de controle ambiental de acordo com uma modalidade.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[007] Uma descrição detalhada de uma ou mais modalidades do aparelho divulgado e do método divulgado estão apresentados neste documento a título de exemplificação, e não como limitação, com referência às Figuras.

[008] Como indicado acima, as pressões relativamente altas fornecem eficiência limitada no que diz respeito ao consumo de combustível pelo motor. Assim, o que é necessário é um sistema de controle ambiental que fornece um meio em paralelo ao longo de uma pluralidade de permutadores de calor para, assim, proporcionar a pressurização e o arrefecimento da cabine em um motor de alta eficiência de queima de combustível.

[009] Em geral, as modalidades da presente invenção aqui divulgadas podem incluir um sistema que compreende uma pluralidade de permutadores de calor e um meio que flui através da pluralidade de permutadores de calor, no qual realiza-se a sangria do meio a partir de um local de baixa pressão de um motor, através da pluralidade de permutadores de calor em paralelo, a uma câmara. O local de baixa pressão do motor fornece o meio a um nível de pressão inicial que é próxima da pressão deste meio quando ele está dentro da câmara (por exemplo, pressão da câmara). Em contraste, os sistemas convencionais utilizam um nível de pressão inicial que é muito maior do que o da câmara de pressão. Por exemplo, se a pressão desejada para a câmara é de 5 psia (pressão absoluta de 34,47 kPa), sistemas convencionais vão sangrar o ar a partir de uma localização do motor de pressão mais alta, o que fornece um nível de pressão inicial três vezes aquele da pressão na câmara (por exemplo, 15 psia (pressão absoluta de 103,42 kPa). Além disso, a pressão do meio no local de baixa pressão pode ser ligeiramente acima ou ligeiramente abaixo da pressão na câmara (por exemplo, qualquer valor ao longo do intervalo de 4 a 7 psia (pressão absoluta de 27,58 a 48,28 kPa) quando a pressão da câmara é de 5 psia (pressão absoluta de 34,47 kPa).

[0010] Sangrar o meio a uma pressão tão baixa a partir do local de baixa pressão faz com que menos combustível seja consumido do que sangrar o ar a partir de um local de pressão mais elevada. No entanto, já que o meio está começando a este nível de pressão inicial relativamente baixa e já que uma queda na pressão ocorre através da pluralidade de permutadores de calor, o meio irá cair abaixo da pressão da câmara enquanto o meio está fluindo através de uma pluralidade de permutadores de calor em série. Quando a pressão do meio é inferior à pressão da câmara, o meio não vai fluir para dentro da câmara para fornecer, por exemplo, a pressurização e o condicionamento da temperatura. Assim, o sistema divide o fluxo do meio em pedaços, de modo que o meio pode ir em pelo menos dois permutadores de calor em paralelo para, assim, permitir que para a ligação ao local de baixa pressão.

[0011] Figura 1 ilustra um sistema 100 com um meio (por exemplo, ar) que flui a partir de uma entrada 101 para uma câmara de 102 através das válvulas 105, 106, um permutador de calor primário 110, um permutador de calor secundário 120, e um dispositivo de compressão 130.

[0012] Em geral, o sistema 100 fornece um meio para qualquer ambiente (por exemplo, a câmara 102), proporcionando, assim, a regulação e/ou monitoração desse ambiente. Numa modalidade, o sistema 100 é qualquer sistema de controle ambiental de um veículo, tal como uma aeronave, que proporciona abastecimento de ar, controle térmico, e pressurização da cabine para tripulantes e passageiros da aeronave. Sistemas de controle ambiental podem também incluir arrefecimento de aviônicas, detecção de fumaça, e/ou supressão de fogo. Além disso, no que diz respeito ao exemplo da aeronave, o sistema 100 fornece ar pressurizado (por exemplo, um meio) para uma cabine de pilotagem da aeronave (por exemplo, a câmara 102), para conforto e pressurização. O ar é fornecido ao sistema 100 na entrada 101 através de uma "sangria" de uma etapa do compressor de um motor de avião e/ou diretamente a partir do ar exterior (por exemplo, através de um sistema de ar RAM). A temperatura e a pressão desta "sangria do ar" variam amplamente, dependendo da etapa do compressor e das rotações por minuto do motor da aeronave. Para atingir a temperatura desejada, o ar sangrado é arrefecido na medida em que passa através dos permutadores de calor 110, 120. Para conseguir a pressão desejada, o ar sangrado é comprimido enquanto passa através do dispositivo 130. Note-se que a interação do sistema 100 com os motores das aeronaves influencia a quantidade necessária de combustível a ser consumida pelo motor da aeronave para realizar as operações, tais como o fornecimento de ar pressurizado, em relação a essa interação.

[0013] Válvulas, como as válvulas 105, 106, são dispositivos que regulam, direcionam e/ou controlam um fluxo de um meio (por exemplo, gases, líquidos, sólidos fluidizados, ou suspensões, tais como ar sangrado) ao abrir, fechar, ou obstruir parcialmente as várias passagens dentro dos tubos, dutos, etc., do sistema 100. As válvulas podem ser operadas por acionadores tais que as taxas de fluxo de qualquer meio em qualquer parte do sistema de controle ambiental 100 possam ser reguladas para um valor desejado. Por exemplo, a válvula 105 permite que um fluxo do meio a partir da entrada 101 possa ser dividido entre o permutador de calor principal 110 e o permutador de calor secundário 120. Além disso, a válvula 106 permite que um fluxo do meio a partir do permutador de calor principal 110 seja enviado para o dispositivo de compressão 130 e/ou câmara 102.

[0014] Os permutadores de calor (por exemplo, o permutador de calor primário 110, o permutador de calor secundário 120) são equipamentos construídos para a transferência eficiente de calor de um meio para outro. Exemplos de permutadores de calor incluem tubo duplo, concha e tubos, placas, placa e concha, roda adiabática, palheta de placa, placa de apoio, e permutadores de calor de fluido. Continuando com o exemplo da aeronave acima, o ar forçado por um ventilador (por exemplo, através de métodos de empurrar ou puxar) e/ou abalroado durante o voo é soprado através do permutador de calor a um fluxo de ar de arrefecimento variável para controlar a temperatura final do ar sangrado.

[0015] O dispositivo de compressão 130 (por exemplo, uma máquina de ciclo de ar, tal como descrito abaixo) é um dispositivo mecânico, que regula a pressão de um meio (por exemplo, aumentando a pressão de um gás). Exemplos de um compressor incluem compressor centrífugo, diagonal, de fluxo misto, de fluxo axial, alternativo, de pistão líquido iônico, de parafuso rotativo, de palheta rotativa, de rolo, de diafragma, de bolha de ar. Além disso, os compressores são tipicamente acionados por um motor elétrico ou uma turbina a vapor ou a gás.

[0016] Numa operação, o sistema 100 pode desviar o dispositivo de compressão 130 através da ativação da válvula 106 para dividir o fluxo do meio a partir da entrada 101 para o permutador de calor primário 110 e o permutador de calor secundário 120 (por exemplo, seta A). Ambos os permutadores de calor, por sua vez, arrefecem as suas respectivas partes do meio. Em seguida, o fluxo do meio que sai para fora do permutador de calor secundário 120 é combinado através da ativação da válvula 106, com o fluxo do meio que sai para fora do permutador de calor primário 110 (por exemplo, seta B). Esta operação pode ser chamada de um modo de arrefecimento do permutador de calor que reduz a pressão do meio para uma próxima da pressão da câmara.

[0017] O sistema 100 da Figura 1, vai agora ser descrito com referência à Figura 2, em vista do exemplo aeronaves acima. A Figura 2 ilustra um sistema de controle ambiental 200 (por exemplo, uma modalidade do sistema 100) que inclui, em adição aos itens anteriormente descritos da Figura 1, um invólucro 201, as válvulas 207, 208, 209, o dispositivo de compressão 130 (que inclui um compressor 242, uma turbina 245, um ventilador 248, e um eixo 249), e um separador de água de alta pressão 260, cada um dos quais está ligado através de tubos, dutos e semelhantes, de tal modo que o ar sangrado é aceito na entrada 101 (por exemplo, localização de baixa ou alta pressão de um motor de uma aeronave) e fornecido à câmara 102 (por exemplo, cabine, cabine de pilotagem, etc.).

[0018] O sistema de controle ambiental 200 é um exemplo de um sistema de controle ambiental de uma aeronave que fornece alimentação de ar, controle térmico e pressurização da cabine para a tripulação e os passageiros da aeronave. A concha 201 é um exemplo de uma câmara RAM de um sistema RAM, que utiliza a pressão dinâmica do ar criada por uma aeronave em movimento para aumentar a pressão estática do ar no interior da concha. As válvulas 207, 208, 209 são exemplos de válvulas descritas acima.

[0019] O dispositivo de compressão 130 pode ser uma máquina de ciclo de ar que regula a pressão de um meio (por exemplo, aumentando a pressão de um ar sangrado). A turbina 245 é um dispositivo mecânico que aciona o compressor 242 e o ventilador 248 através do eixo 249. O compressor 242 é um dispositivo mecânico que comprime o ar sangrado que foi recebido a partir de um primeiro permutador de calor (por exemplo, o permutador de calor principal 110). O ventilador 248 é um dispositivo mecânico que força o ar, por meio de métodos de empurrar ou puxar, através da concha 201 ao longo dos permutadores de calor em um fluxo de ar de arrefecimento variável. O compressor 242, a turbina 245 e o ventilador 248 em conjunto regulam a pressão e ilustram, por exemplo, que a máquina de ciclo de ar (por exemplo, o dispositivo de compressão 130) pode operar como uma máquina de ciclo de ar de três rodas. Por sua vez, a máquina de ciclo de ar de três rodas pode incluir a adição de componentes, tal como uma turbina de energia que utiliza gases de escape a partir da câmara 102 para fornecer energia adicional para o dispositivo de compressão 130.

[0020] O separador de água de alta pressão 260 é um dispositivo mecânico que executa a operação de um permutador de calor descrito acima e/ou um processo de remoção da água a partir do ar sangrado, quer temporariamente quer permanentemente.

[0021] Numa operação, o ar sangrado é aceito na entrada 101 de um local de alta pressão de um motor de um avião a uma taxa inicial de fluxo, pressão (por exemplo, 35 psia (pressão absoluta de 241,32 kPa), e temperatura, que são muito maiores que a taxa de fluxo, pressão (por exemplo, 12 psia (pressão absoluta de 82,74 kPa)) e temperatura finais. O ar sangrado é alimentado através do permutador de calor primário 110, que através de arrefecimento abaixa a temperatura para o compressor 242, o qual, em seguida, aumenta a pressão. Então, devido às válvulas 208, 209 estarem fechadas, o ar sangrado é alimentado através do permutador de calor secundário 120, o qual também através de arrefecimento abaixa a temperatura para o separador de água de alta pressão 260.

[0022] Numa outra operação, um modo de operação de arrefecimento pode ser realizado pelo sistema de controle ambiental 200. A operação de modo de arrefecimento será agora descrita com respeito à FIG. 3. FIG. 3 ilustra um fluxo de processo 300 que começa no bloco 310, onde o ar sangrado é aceito na entrada 101 de um local de baixa pressão de um motor de uma aeronave a uma taxa de fluxo inicial, pressão (por exemplo, 13 psia (pressão absoluta de 89,63 kPa)), e temperatura que é próxima da taxa do fluxo, da pressão e da temperatura finais. Depois, no bloco 320, devido à ativação das válvulas 105, 106, o ar sangrado é dividido entre ambos o permutador de calor primário 110 e o permutador de calor secundário 120 (por exemplo, em paralelo), de tal modo que uma primeira temperatura do ar sangrado na válvula 105 encontra-se coletivamente reduzida para uma segunda temperatura que pode estar na ou próxima da temperatura da câmara 102. Isto é, o sistema de controle ambiental 200 pode ignorar o dispositivo de compressão 130 através da ativação da válvula 106 para dividir um fluxo da sangria a partir da entrada 101 para o permutador de calor primário 110 e o permutador de calor secundário 120 (por exemplo, seta A). Ambos os permutadores de calor, por sua vez, arrefecem suas respectivas partes da sangria. Em seguida, no bloco 330, um fluxo do ar de sangria que sai do permutador de calor secundário 120 é combinado através da ativação da válvula 106, com um fluxo da sangria que sai do permutador de calor primário 110 (por exemplo, seta B). Em geral, o modo de operação de arrefecimento pode ser chamado de um modo de arrefecimento do permutador de calor que reduz a temperatura do ar sangrado para uma temperatura requirida para a câmara. A operação do modo de arrefecimento pode ser utilizada quando o arrefecimento de ar RAM para os permutadores de calor 110, 120 for adequado (por exemplo, o ar RAM fornece energia suficiente para os permutadores de calor 110, 120 para reduzir a temperatura do ar de sangria) e a pressão do ar de sangria for suficientemente elevada para manter uma pressão através do sistema de controle ambiental 200 sem o dispositivo de compressão 130.

[0023] Os aspectos da presente invenção são aqui descritos com referência às ilustrações de fluxograma, esquemas e/ou diagramas de blocos de métodos, aparelhos, e/ou sistemas de acordo com as modalidades da invenção. Além disso, as descrições de várias modalidades da presente invenção foram apresentadas para fins de ilustração, mas essas não pretendem ser exaustivas, nem esta se limita às modalidades divulgadas. Muitas modificações e variações serão aparentes àqueles versados na técnica sem que se desvie do escopo e do espírito das modalidades descritas. A terminologia usada neste documento foi escolhida para melhor explicar os princípios das modalidades, da aplicação prática ou do aprimoramento técnico em relação às tecnologias encontradas no mercado, ou para permitir que outros versados na técnica entendam as modalidades aqui divulgadas.

[0024] A terminologia usada neste documento tem a finalidade de descrever modalidades particulares apenas e não se destina a limitar a invenção. Como usado aqui, a forma singular “um”, “uma” e "o” pretendem incluir também as formas plurais, a menos que o contexto indique claramente de outra maneira. Será ainda compreendido que os termos “compreendem” e/ou “compreendendo,” quando usado nesta especificação, especifica a presença de características indicadas, em sua integridade, etapas, operações, elementos, e/ou componentes, mas não impossibilita a presença ou adição de outras características, por inteiro, em etapas, operações, componentes do elemento, e/ou grupos destes.

[0025] Os fluxogramas aqui representados são apenas um exemplo. Pode haver muitas variações em relação a este diagrama ou às etapas (ou operações) aqui descritas sem que haja desvio do espírito da invenção. Por exemplo, as etapas podem ser executadas em uma ordem diferente ou etapas podem ser adicionadas, excluídas ou modificadas. Todas essas variações são consideradas parte da invenção reivindicada.

[0026] Enquanto que a modalidade preferencial à divulgação foi descrita, será entendido que aqueles versados na técnica, agora e no futuro, poderão fazer várias melhorias e aprimoramentos que estejam enquadrados no escopo das reivindicações que se seguem. Estas reivindicações devem ser interpretadas de modo a manter a proteção apropriada para a invenção primeiramente descrita.

Claims

1. Sistema de controle ambiental (100) para uma aeronave compreendendo: um meio que flui a partir de um local de baixa pressão de um motor para uma câmara (102); uma pluralidade de permutadores de calor (110, 120); uma válvula (105) situada a montante a partir da pluralidade de permutadores de calor, a válvula configurada para dividir em paralelo o meio através de pelo menos um primeiro permutador de calor (110) e um segundo permutador de calor da pluralidade de permutadores de calor (110, 120) caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: um dispositivo de compressão (130), em comunicação com uma pluralidade de permutadores de calor (110, 120), configurado para regular uma pressão do meio; e em que o meio desvia do dispositivo de compressão (130) quando a válvula (105) divide o meio em paralelo através de pelo menos o primeiro permutador de calor (110) e o segundo permutador de calor (120).

2. Sistema (100) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um fluxo do meio que sai do permutador de calor secundário (120) é combinado com um fluxo do meio saindo do primeiro permutador de calor (110) através da ativação de uma segunda válvula (106) que encaminha o fluxo do meio que sai do primeiro permutador de calor (110).

3. Sistema (100) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que é configurado tal que uma primeira temperatura do meio na válvula (105) é reduzida para uma segunda temperatura quando o meio fluí em paralelo através do primeiro permutador de calor (110) e do segundo permutador de calor (120).

4. Sistema (100) de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que é configurado tal que o ar de arrefecimento RAM fornece energia suficiente para a pluralidade de permutadores de calor para reduzir a primeira temperatura para a segunda temperatura.

5. Sistema (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o meio é ar sangrado a partir de um motor da aeronave, e a câmara (102) é uma cabine da aeronave.

6. Método para realizar um modo de arrefecimento de permutador de calor em um sistema de controle ambiental para uma aeronave, como definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende: receber, através de uma primeira válvula (105), um meio que flui a partir de um local de baixa pressão do motor para uma câmara (102); dividir em paralelo, pela primeira válvula (105) situada a montante de uma pluralidade de permutadores de calor (110, 120), o meio através de pelo menos um primeiro permutador de calor (110) e um segundo permutador de calor (120) de uma pluralidade de permutadores de calor; e combinar, por uma segunda válvula (106), um fluxo do meio que sai do permutador de calor secundário (120) com o fluxo do meio que sai do primeiro permutador de calor (110) desviar de um dispositivo de compressão (130), em comunicação com uma pluralidade de permutadores de calor (110, 120), em conformidade com a combinação de, pela segunda válvula (106), do fluxo do meio que sai do permutador de calor secundário (120) com o fluxo do meio que sai do primeiro permutador de calor (110).

7. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato que compreende adicionalmente: reduzir a primeira temperatura do meio na primeira válvula (105), a uma segunda temperatura quando o meio passa em paralelo através do primeiro permutador de calor (110) e do segundo permutador de calor (120).

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 ou 7, caracterizado pelo fato que compreende adicionalmente: fornecer arrefecimento de ar RAM para a pluralidade de permutadores de calor para reduzir a primeira temperatura para a segunda temperatura.

9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, caracterizado pelo fato de que: o meio é ar sangrado a partir de um motor da aeronave, e a câmara (102) é uma cabine da aeronave.