BR102022018671A2

BR102022018671A2 - Veículo, sistema de controle ambiental e método para operar um sistema de controle ambiental

Info

Publication number: BR102022018671A2
Application number: BR102022018671-5A
Authority: BR
Inventors: Adam Tate; Brad Crome; Randy Hull; Suman Das; Dilip Prasad; Thomas Rothermel
Original assignee: Gulfstream Aerospace Corporation
Priority date: 2021-09-16
Filing date: 2022-09-16
Publication date: 2023-03-28
Also published as: US20230079592A1; CA3172904A1; CN115817817A; EP4151530A1

Abstract

São fornecidos veículos, sistemas de controle ambiental e métodos para operar um sistema de controle ambiental. Em um exemplo, o sistema de controle ambiental (ECS) inclui uma unidade de refrigeração de ECS que é configurada para receber ar ambiente e uma primeira porção e uma segunda porção de ar de purga quente. A unidade de refrigeração de ECS é operável para trocar indiretamente calor entre a primeira porção do ar de purga quente e o ar ambiente para formar uma corrente de ar quente parcialmente resfriada e para comprimir troca de calor indireta adicional, e expandir a corrente de ar quente parcialmente resfriada para formar uma corrente de ar expandida e resfriada. Um controle de válvula de limite baixo regula uma válvula de limite baixo para controlar uma taxa de introdução da segunda porção do ar de purga quente na corrente de ar expandida e resfriada para formar uma corrente de ar combinada que, ao sair da unidade de refrigeração de ECS, é uma corrente de ar de subcongelamento.

Description

VEÍCULO, SISTEMA DE CONTROLE AMBIENTAL E MÉTODO PARA OPERAR UM SISTEMA DE CONTROLE AMBIENTAL

CAMPO DA TÉCNICA

[0001] O campo da técnica, em geral, refere-se a sistemas de controle ambiental para veículos e, mais particularmente, se refere a sistemas de controle ambiental que fornecem resfriamento intensificado para interiores de veículo e métodos para operar tais sistemas de controle ambiental.

ANTECEDENTES

[0002] Veículos, como aeronave, em geral, utilizam ou uma combinação de ar de cabine reciclado e ar externo, ou ar exclusivamente externo para manter qualidade de ar interno quando a aeronave está em operação. Muitas aeronaves têm um sistema de controle ambiental (ECS) que mantém tipicamente a qualidade de ar interno ao suprir ar, controles térmicos e ventilação para manter pressão de cabine para a tripulação e passageiros, bem como fornece métodos de resfriamento para os aviônicos.

[0003] Uma vez que a tecnologia continua a crescer e se expandir, a capacidade e funcionalidade de eletrônicos de aviônicos de aeronave e sistemas sempre aumenta. Como resultado dessa funcionalidade expandida, há um aumento de calor produzido por esse equipamento e, portanto, cargas de calor maiores no ambiente circundante de aeronave. Para fornecer um nível de conforto para passageiros e tripulação a bordo da aeronave, é necessária capacidade de resfriamento aumentada. Infelizmente, muitos sistemas de controle ambiental convencionais para aeronave não são projetados para alcançar tais necessidades para capacidade de resfriamento aumentada. Essa questão pode ser particularmente exacerbada quando uma aeronave está no solo, por exemplo, antes da decolagem ou após o pouso, em um dia quente quando a temperatura de ar ambiente de solo é significativamente mais quente que a temperatura de ar ambiente em altitudes maiores quando a aeronave está em voo.

[0004] Consequentemente, é desejável fornecer sistemas de controle ambiental que abordam uma ou mais das questões anteriores, veículos que incluem tais sistemas de controle ambiental e métodos para operar tais sistemas de controle ambiental. Ademais, outros recursos e características desejáveis das diversas modalidades descritas no presente documento se tornarão evidentes a partir da descrição detalhada subsequente e das reivindicações anexas, tomadas em combinação com os desenhos anexos e seus antecedentes.

SUMÁRIO

[0005] Diversas modalidades não limitantes de um veículo, um sistema de controle ambiental para um veículo que tem um interior e um método para operar um sistema de controle ambiental para um veículo são fornecidos no presente documento.

[0006] Em uma primeira modalidade não limitante, o sistema de controle ambiental (ECS) inclui, porém, sem limitação, uma unidade de refrigeração de ECS. A unidade de refrigeração de ECS é configurada para receber ar ambiente e uma primeira porção e uma segunda porção de ar de purga quente. A unidade de refrigeração de ECS é operável para trocar indiretamente calor entre a primeira porção do ar de purga quente e o ar ambiente para formar uma corrente de ar quente parcialmente resfriada. A unidade de refrigeração de ECS é ainda operável para compressão, troca de calor indireta adicional e expansão da corrente de ar quente parcialmente resfriada para formar uma corrente de ar expandida e resfriada que tem uma temperatura menor que cerca de -3 °C (26 °F). A unidade de refrigeração de ECS inclui, porém, sem limitação, uma válvula de limite baixo que é configurada para introduzir a segunda porção do ar de purga quente na corrente de ar expandida e resfriada. O sistema de controle ambiental inclui ainda, porém, sem limitação, um controle de válvula de limite baixo que é configurado para regular a válvula de limite baixo para controlar a taxa de introdução da segunda porção do ar de purga quente na corrente de ar expandida e resfriada para formar uma corrente de ar combinada que, ao sair da unidade de refrigeração de ECS, é uma corrente de ar de subcongelamento que tem uma temperatura menor que cerca de 0 °C (32 °F), mas maior que a corrente de ar expandida e resfriada.

[0007] Em outra modalidade não limitante, o método inclui, porém, sem limitação, introduzir uma primeira porção e uma segunda porção de ar de purga quente em uma unidade de refrigeração de ECS. O método inclui ainda, porém, sem limitação, introduzir ar ambiente na unidade de refrigeração de ECS. O método inclui ainda, porém, sem limitação, trocar indiretamente calor entre a primeira porção do ar de purga quente e o ar ambiente na unidade de refrigeração de ECS para formar uma corrente de ar quente parcialmente resfriada. O método inclui ainda, porém, sem limitação, operar a unidade de refrigeração de ECS para compressão, troca de calor indireta adicional e expansão da corrente de ar quente parcialmente resfriada para formar uma corrente de ar expandida e resfriada que tem uma temperatura menor que cerca de -3 °C (26 °F). O método inclui ainda, porém, sem limitação, avançar a segunda porção de ar de purga quente através de uma válvula de limite baixo na unidade de refrigeração de ECS para introduzir a segunda porção do ar de purga quente na corrente de ar expandida e resfriada. Avançar para a segunda porção inclui, porém, sem limitação, regular a válvula de limite baixo com um controle de válvula de limite baixo para controlar a taxa de introdução da segunda porção do ar de purga quente na corrente de ar expandida e resfriada para formar uma corrente de ar combinada que, ao sair da unidade de refrigeração de ECS, é uma corrente de ar de subcongelamento que tem uma temperatura menor que cerca de 0 °C (32 °F), mas maior que a corrente de ar expandida e resfriada.

[0008] Em outra modalidade não limitante, o veículo inclui, porém, sem limitação, uma estrutura de veículo que envolve pelo menos parcialmente um interior. O veículo inclui ainda, porém, sem limitação, uma fonte de ar quente que é suportada pela estrutura de veículo e que é configurada para produzir ar quente que é extraído da fonte de ar quente como ar de purga quente. O veículo inclui ainda, porém, sem limitação, um sistema de controle ambiental (ECS) que é configurado para estar em comunicação fluida com o interior. O sistema de controle ambiental inclui, porém, sem limitação, uma unidade de refrigeração de ECS que é configurada para receber ar ambiente de fora do veículo e uma primeira porção e uma segunda porção do ar de purga quente. A unidade de refrigeração de ECS é operável para trocar indiretamente calor entre a primeira porção do ar de purga quente e o ar ambiente para formar uma corrente de ar quente parcialmente resfriada. A unidade de refrigeração de ECS é ainda operável para compressão, troca de calor indireta adicional e expansão da corrente de ar quente parcialmente resfriada para formar uma corrente de ar expandida e resfriada que tem uma temperatura menor que cerca de -3 °C (26 °F). A unidade de refrigeração de ECS inclui ainda, porém, sem limitação, uma válvula de limite baixo que é configurada para introduzir a segunda porção do ar de purga quente na corrente de ar expandida e resfriada. O sistema de controle ambiental inclui ainda, porém, sem limitação, um controle de válvula de limite baixo que é configurado para regular a válvula de limite baixo para controlar a taxa de introdução da segunda porção do ar de purga quente na corrente de ar expandida e resfriada para formar uma corrente de ar combinada que, ao sair da unidade de refrigeração de ECS, é uma corrente de ar de subcongelamento que tem uma temperatura menor que cerca de 0 °C (32 °F), mas maior que a corrente de ar expandida e resfriada.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0009] As diversas modalidades serão doravante descritas em combinação com as figuras de desenho a seguir, em que números similares representam elementos similares, e em que:

[0010] A Figura 1 é uma vista esquemática que ilustra um veículo que inclui um sistema de controle ambiental de acordo com uma modalidade exemplificativa;

[0011] A Figura 2 é uma vista esquemática que ilustra uma unidade de refrigeração de ECS de um sistema de controle ambiental de acordo com uma modalidade exemplificativa;

[0012] A Figura 3 é uma vista esquemática que ilustra uma porção de um sistema de controle ambiental que inclui uma válvula de limite baixo e um controle de válvula de limite baixo de acordo com uma modalidade exemplificativa;

[0013] A Figura 4 é uma vista em corte transversal que ilustra um duto que inclui um tratamento gelofóbico de um sistema de controle ambiental de acordo com uma modalidade exemplificativa; e

[0014] A Figura 5 é um diagrama de blocos que ilustra um método para operar um sistema de controle ambiental de acordo com uma modalidade exemplificativa.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0015] A Descrição Detalhada a seguir é meramente exemplificativa em natureza e não se destina a limitar as diversas modalidades ou a aplicação e usos das mesmas. Ademais, não há intensão de estar vinculado a qualquer teoria apresentada no antecedente precedente ou na descrição detalhada a seguir.

[0016] As modalidades exemplificativas ensinadas no presente documento fornecem um veículo, por exemplo, uma aeronave ou similares. O veículo inclui uma estrutura de veículo, como, por exemplo, uma estrutura de aeronave, fuselagem ou similares, que envolvem pelo menos parcialmente um interior que contém ar interno. Uma fonte de ar quente, como, por exemplo, um motor (ou motores), uma unidade de potência auxiliar (APU), um compressor elétrica ou mecanicamente alimentado dedicado, ou similares, é suportada pela estrutura de veículo. A fonte de ar quente produz ar quente que é extraído da fonte de ar quente como ar de purga quente.

[0017] Um sistema de controle ambiental (ECS) é transportado ou, de outro modo, suportado pela estrutura de veículo. O sistema de controle ambiental está em comunicação fluida com o interior do veículo. O sistema de controle ambiental inclui uma unidade de refrigeração de ECS (também denominada um pacote de ECS) e um controle de válvula de limite baixo. Como usado no presente documento, a expressão “unidade de refrigeração” se refere a uma unidade que inclui um ou mais itens de equipamento que cooperam para resfriar uma corrente (ou correntes) de fluido (por exemplo, ar). Itens de equipamento podem incluir um ou mais trocadores de calor, compressores, válvulas, controladores, turbinas, ventiladores, sensores, condutos/canos/tubos/dutos e similares. Durante a operação, a unidade de refrigeração de ECS recebe ar ambiente de fora do veículo e uma primeira porção e uma segunda porção do ar de purga quente da fonte (ou fontes) de ar de purga de motor de aeronave. Dentro da unidade de refrigeração de ECS, diversas operações termodinâmicas ou de unidade são realizadas. Em uma modalidade exemplificativa, calor é indiretamente trocado entre a primeira porção do ar de purga quente e o ar ambiente para formar uma corrente de ar quente parcialmente resfriada. A corrente de ar quente parcialmente resfriada é, de modo subsequente, comprimida, calor indireto adicional trocado uma ou mais vezes e expandido para formar uma corrente de ar expandida e resfriada. Em uma modalidade exemplificativa, a corrente de ar expandida e resfriada tem uma temperatura menor que cerca de -3 °C (26 °F).

[0018] A unidade de refrigeração de ECS inclui uma válvula de limite baixo que introduz a segunda porção do ar de purga quente na corrente de ar expandida e resfriada. Um controle de válvula de limite baixo, que pode ser montado em ou, de outro modo, formar parte da unidade de refrigeração de ECS ou pode ser separado da mesma, regula a válvula de limite baixo, por exemplo, por meio de um motor de torque de válvula de limite baixo, para controlar a taxa de introdução da segunda porção do ar de purga quente na corrente de ar expandida e resfriada para formar uma corrente de ar combinada que, ao sair da unidade de refrigeração de ECS, é uma corrente de ar de subcongelamento. Em uma modalidade exemplificativa, a corrente de ar de subcongelamento tem uma temperatura menor que cerca de 0 °C (32 °F), mas maior que a corrente de ar expandida e resfriada.

[0019] Em uma modalidade exemplificativa, formar vantajosamente a corrente de ar de subcongelamento que tem uma temperatura menor que cerca de Ο °C (32 °F), mas maior que a corrente de ar expandida e resfriada quando sai da porção de turbina da unidade de refrigeração de ECS fornece uma corrente de ar de saída que está em uma temperatura menor que a corrente de ar de saída de pacotes de ECS convencionais. Dessa maneira, a unidade de refrigeração de ECS fornece capacidade de resfriamento intensificado. Ademais, em uma modalidade exemplificativa, a corrente de ar de subcongelamento é avançada a jusante e combinada com ar de purga quente adicional para formar a corrente de ar misturada que tem uma temperatura de cerca de 20 a cerca de 24 °C (de cerca de 68 a cerca de 76 °F), que é introduzida na área de cabine interna para fornecer um nível de conforto para passageiros e tripulação a bordo do veículo, bem como resfriamento para os aviônicos.

[0020] Adicionalmente, em uma modalidade exemplificativa, a unidade de refrigeração de ECS pode ser controlada para fornecer dois modos diferentes de resfriamento, um modo de capacidade de resfriamento intensificado, como discutido acima, e um modo de capacidade de resfriamento normal em que o controle de válvula de limite baixo regula a válvula de limite baixo para controlar a taxa de introdução da segunda porção do ar de purga quente na corrente de ar expandida e resfriada para formar uma corrente de ar combinada que, ao sair da unidade de refrigeração de ECS, tem uma temperatura acima de congelante, como uma temperatura de maior que cerca de 0 °C (32 °F), como de cerca de 1 °C a cerca de 2 °C (de cerca de 34 °F a cerca de 36 °F), por exemplo, cerca de 1,7 °C (35 °F). Nessa modalidade, a unidade de refrigeração de ECS pode ser seletivamente operada no modo de capacidade de resfriamento intensificado, por exemplo, quando o veículo ou aeronave está no solo em um dia úmido e/ou relativamente quente quando demanda de resfriamento aumentada é necessária e, de outro modo, ser seletivamente operado no modo de capacidade de resfriamento normal quando demanda de resfriamento é mais normal ou típica, por exemplo, quando o veículo ou aeronave está em voo ou no solo em um dia de umidade relativamente baixa e/ou relativamente frio.

[0021] A Figura 1 ilustra uma vista esquemática de um veículo 10 que inclui um sistema de controle ambiental (ECS) 12 com unidades de refrigeração de RCS 14 e 14’ de acordo com uma modalidade exemplificativa. O veículo 10 inclui uma estrutura de veículo 16 que envolve pelo menos parcialmente um interior 18 do veículo 10 e que contém ar interno 20. Como ilustrado, o veículo 10 é uma aeronave e a estrutura de veículo 16 é uma estrutura de aeronave como, por exemplo, uma fuselagem. O interior 18 pode incluir uma ou mais áreas internas 22, como uma área de cabine, uma área de lavatório, uma área de cabine de comando e/ou similares.

[0022] O veículo 10 inclui motores 24 e 24’ e motor auxiliar na forma de unidade de potência auxiliar (APU) 55 acoplada à estrutura de veículo 16 e em comunicação fluida com o sistema de controle ambiental 12. Como ilustrado, 0 veículo 10 inclui dois motores 24 e 24’, mas deve ser entendido que diversas modalidades alternativas do veículo 10 podem incluir um único motor 24 ou mais de dois motores 24 e 24’. Adicionalmente, para propósitos de simplicidade, discussões adicionais dos motores 24 e 24’, as unidades de refrigeração de RCS 14 e 14” e seus itens de equipamento associados serão descritos em termos de motor 24 e unidade de refrigeração de ECS 14, mas deve ser entendido que esses componentes e seus itens de equipamento associados são essencialmente idênticos ao motor 24’, à unidade de refrigeração de ECS 14’ e a seus itens de equipamento associados.

[0023] O motor 24 é, por exemplo, um motor de turbina, como, por exemplo, um motor turbofan. O motor 24 inclui um ou mais compressores 26 (26’) e admite ar ambiente 28 e pressuriza e entra em combustão em pelo menos uma porção do ar ambiente 28 com combustível em um queimador para acionar uma ou mais turbinas para produzir impulso 30 (30’) que impulsiona o veículo 10 em uma direção geral para frente 32.

[0024] Em uma modalidade exemplificativa, quando o motor 24 está funcionando, por exemplo, durante o voo, ar de purga quente é extraído do motor 24 por meio da linha 34 (34’) e/ou linha 42 (42’) e comunicado de modo fluido para ο sistema de controle ambiental 12 por meio das linhas 36 (36’), 37 (37’), 38 (38’), e 39 (39’). O ar de purga quente pode ser extraído de qualquer uma de diversas portas de estágio de compressor do compressor (ou compressores) 26 do motor 24. Por exemplo, ar de purga quente extraído por meio da linha 34 corresponde a um estágio de compressor inferior enquanto ar de purga quente extraído por meio da linha 42 corresponde a um estágio de compressor superior. Quando extraído, o ar de purga quente está em pressão e temperatura aumentadas em comparação com o ar ambiente 28. Por exemplo, em uma altitude de cerca de 13,7 metros (45000 pés), o ar ambiente 26 está em uma temperatura de cerca de -21 °C (-70 °F) e uma pressão de cerca de 0,01 MPa (2,1 psia) e 0 ar de purga quente 24 tem uma temperatura de cerca de 204 “C (400 °F) a cerca de 426 °C (800 °F) e uma pressão de cerca de 0,7 a cerca de 1,03 MPa (de cerca de 100 a cerca de 150 psig) quando extraído de um baixo estágio do compressor 26 e uma temperatura de cerca de 315 °C (600 °F) a cerca de 648 °C (1200 °F) e uma pressão de cerca de 1,7 MPa a cerca de 3,4 MPa (de cerca de 250 psig a cerca de 500 psig) quando extraído de um alto estágio do compressor 26.

[0025] Como discutido acima, o ar de purga quente é extraído ou de um estágio de compressor inferior por meio da linha 34 ou de um estágio de compressor superior por meio da linha 42. Em uma modalidade exemplificativa, uma válvula de retenção 40 (40’) modera o fluxo do ar de purga quente quando extraído por meio da linha 34 e uma válvula de controle 44 (44’) modera o fluxo do ar de purga quente quando extraído por meio da linha 42. A válvula de retenção 40 também impede fluxo reverso entre o estágio de compressor superior e o estágio de compressor inferior. Em uma modalidade exemplificativa, ar de purga quente do estágio de compressor superior pode ser roteado do motor 24 por meio da linha 42 que inclui a válvula de controle 44 para regular a taxa de fluxo de ar de purga do motor 24 para operar casos em que extração de estágio inferior por meio da linha 34 seria insuficiente para demanda de sistema de ar de purga quente. Ar de purga quente extraído por meio da linha 42 e/ou ar de purga quente extraído por meio da linha 34 são roteados para um trocador de calor 46 por meio das linhas 36 e 37. Uma válvula de controle 48 (48’), que é disposta entre linhas 36 e 37, regula a pressão de ar de purga quente para o trocador de calor 46 (46’). Em uma modalidade exemplificativa, a pressão regulada da válvula de controle 48 para linha 37 é de cerca de 0,24 a cerca de 0,41 MPa (de cerca de 35 a cerca de 60 psig), dependendo de fase de voo de veículo 10 e configuração de potência de motor 24 e 24’.

[0026] Em uma modalidade exemplificativa, o trocador de calor 46 é um trocador de calor de pilha fina/placa de fluxo cruzado de passagem única 46. O trocador de calor 46 fornece ao sistema de controle ambiental 12 o ar de purga quente em uma temperatura e pressão reguladas. Por exemplo, o ar de purga quente comunicado por meio das linhas 36 e 37 para o trocador de calor 46 é resfriado pelo trocador de calor 46 para uma temperatura de cerca de 204 °C (400 °F) sob operação de purga de motor duplo normal, ou 206 °C (500 °F) durante determinadas condições de purga de motor único e é, então, passado ao longo do sistema de controle ambiental por meio da linha 38. Em uma modalidade exemplificativa, o motor 24 inclui um ventilador 50 (50’) e ar de ventilador de motor é extraído por meio da linha 52 (52’) e comunicado de modo fluido para o trocador de calor 46 para resfriamento do ar de purga quente suprido da válvula de controle 48. O trocador de calor 46 pode ser acoplado de modo operável a uma válvula de controle 54 (54’) que regula a taxa de fluxo de ar de ventilador de motor através do trocador de calor 46 com o ar de ventilador trocado que é exaurido para fora. Adicionalmente, e de acordo com uma modalidade exemplificativa, o trocador de calor 46 pode incluir válvulas, controles e/ou sensores adicionais para auxiliar na regulação da temperatura e pressão do ar de purga quente para comunicação fluida com sistema de controle ambiental 12.

[0027] Dessa maneira, em uma modalidade exemplificativa, quando o motor 24 está funcionando, por exemplo, durante voo, o motor 24 é uma fonte de ar quente (por exemplo, uma fonte de ar de purga de motor de aeronave) que produz ar quente que é extraído como o ar de purga quente, que é comunicado de modo fluido para o sistema de controle ambiental 12, como discutido acima. De modo alternativo, o ar de purga quente pode ser extraído de outra fonte de ar quente. Em uma modalidade exemplificativa, o veículo 10 inclui a APU 55 que é acoplada à estrutura de veículo 16 e que é configurada como um motor (por exemplo, outra fonte de ar de purga de motor de aeronave) que queima combustível para gerar eletricidade e pressão pneumática para o veículo 10 e produzir ar quente. Por exemplo, quando o veículo 10 está no solo se preparando para uma partida ou pousou recentemente, a APU pode estar funcionando para suprir eletricidade para o veículo 10 e pode ser usada no lugar da fonte de ar quente para suprir ar de purga quente que é comunicado de modo fluido para o sistema de controle ambiental 12 por meio das linhas 56, 38, e 39. Em uma modalidade exemplificativa, quando o ar de purga quente é extraído da APU 55, o ar de purga quente tem uma temperatura de cerca de 204 a cerca de 315 °C (de cerca de 400 a cerca de 600 °F) e uma pressão de cerca de 0,24 a cerca de 0,38 MPa (de cerca de 35 a cerca de 55 psig).

[0028] Como brevemente discutido acima, o sistema de controle ambiental 12 inclui a unidade de refrigeração de ECS 14, e inclui ainda tubulações 58 e 60 e um duto de suprimento de veículo 62. Em uma modalidade exemplificativa, uma porção (ou porções) do ar de purga quente avançado ao longo da linha 38 é introduzido na unidade de refrigeração de ECS 14, e outra porção do ar de purga quente é introduzida na tubulação 58 por meio da linha 39. Ademais, ar ambiente 28 é introduzido na unidade de refrigeração de ECS 14 por meio da linha 65.

[0029] A Figura 2 é uma vista esquemática da unidade de refrigeração de ECS 14 de acordo com uma modalidade exemplificativa. Como discutido acima, a unidade de refrigeração de ECS 14 inclui um ou mais itens de equipamento, como um ou mais trocadores de calor, compressores, válvulas, controladores, turbinas, ventiladores, sensores, condutos/canos/tubos/dutos e similares, que cooperam para resfriar uma corrente (ou correntes) de fluido (por exemplo, ar). Em referência às Figuras 1-2, a unidade de refrigeração de ECS 14 recebe o ar ambiente 28 por meio da linha 65 e uma primeira porção 110 e uma segunda porção 112 do ar de purga quente por meio das linhas 38a e 38b, respectivamente. Em uma modalidade exemplificativa, a unidade de refrigeração de ECS 14 inclui trocadores de calor 114, 116, 118 e 120, um compressor 122, uma turbina 124, uma válvula de retenção 126 e uma válvula de limite baixo 128 que estão em comunicação fluida. Os trocadores de calor 114, 116, 118e 120 são, cada um, configurados como um trocador de calor de contrafluxo configurado para troca de calor indireta (por exemplo, troca de calor entre duas correntes de fluido de contrafluxo adjacentes que são separadas uma da outra (não em contato direto entre si) por um meio de transferência de calor, como uma placa/aletas, parede ou similares). Como ilustrado, no trocador de calor 114, calor é indiretamente trocado entre o ar ambiente 28 e a primeira porção mais quente 110 do ar de purga quente para resfriar parcialmente a primeira porção 110 do ar de purga quente e formar uma corrente de ar quente parcialmente resfriada 130.

[0030] Em uma modalidade exemplificativa, a unidade de refrigeração de ECS 14 é ainda operável para compressão, troca de calor indireta adicional e expansão da corrente de ar quente parcialmente resfriada 130 para formar uma corrente de ar expandida e resfriada 132. Em uma modalidade exemplificativa, a corrente de ar expandida e resfriada 132 tem uma temperatura menor que cerca de -3 °C (26 °F), por exemplo, de cerca de -6 a cerca de -3,8 °C (de cerca de 20 a cerca de 25 °F) e uma pressão de cerca de 0,02 a cerca de 0,05 MPa (de cerca de 3 a cerca de 7 psig).

[0031] Em particular e como ilustrado, durante operação de estado constante da unidade de refrigeração de ECS 14, a válvula de retenção 126 está na posição fechada, e o compressor 122 recebe e comprime a corrente de ar quente parcialmente resfriada 132 para formar uma corrente de ar quente comprimida 134. A corrente de ar quente comprimida 134 ê passada ao longo do trocador de calor 116 para troca de calor indireta com o ar ambiente 28 para resfriar parcialmente a corrente de ar quente comprimida 134 e formar uma primeira corrente de ar quente comprimida, parcialmente resfriada 136. A primeira corrente de ar quente comprimida parcialmente resfriada 136 é passada ao longo do trocador de calor 118 que recebe e resfria parcialmente a primeira corrente de ar quente comprimida, parcialmente resfriada 136 para formar uma segunda corrente de ar quente comprimida, parcialmente resfriada 138. O trocador de calor 120 recebe e resfria parcialmente a segunda corrente de ar quente comprimida, parcialmente resfriada 138 para formar uma corrente de ar quente comprimida, parcialmente resfriada adicional 140 que é circulada ao redor e passa através de um separador de água 139 para remoção de água e o trocador de calor 118 para troca de calor indireta com a primeira corrente de ar quente comprimida, parcialmente resfriada 136. Como ilustrado, água removida pelo separador de água 139 é passada ao longo da linha 170 para o bocal 172, asperge a água no ar ambiente recebido logo a montante do trocador de calor 116 para facilitar resfriamento. A turbina 124 está em comunicação fluida com o trocador de calor 118 e recebe, expande e resfria a corrente de ar quente comprimida, parcialmente resfriada adicional 140 para formar a corrente de ar expandida e resfriada 132. Ademais, durante a operação, a turbina 124 aciona o compressor 122 por meio de haste 105. Como será observado por aqueles versados na técnica, temporariamente durante início da unidade de refrigeração de ECS 14, a válvula de retenção 126 está na posição aberta e a corrente de ar quente parcialmente resfriada 132 passa pelo compressor 122 e, mais propriamente, é avançada através das trocas de calor 116, 118 e 120 para a turbina 124, para acionar a turbina, que aciona o compressor 122 por meio da haste 105, para pressurizar a unidade 14, fechando, dessa maneira, a válvula de retenção 126 e transicionando a unidade 14 para operação de estado constante.

[0032] Também em referência à Figura 3, a segunda porção 112 do ar de purga quente é passada através da válvula de limite baixo 128 e introduzida na corrente de ar expandida e resfriada 132. Em uma modalidade exemplificativa, um controle de válvula de limite baixo 142 regula a válvula de limite baixo 128 para controlar a taxa de introdução da segunda porção 112 do ar de purga quente na corrente de ar expandida e resfriada 132 para formar uma corrente de ar combinada 144. Em uma modalidade exemplificativa, a corrente de ar combinada 144 é uma corrente de ar de subcongelamento 146 que, ao sair da unidade de refrigeração de ECS 14, tem uma temperatura menor que cerca de 0 °C (32 °F), mas maior que a corrente de ar expandida e resfriada 132, como de cerca de -3,8 a cerca de -1 °C (de cerca de 25 a cerca de 30 °F), por exemplo, cerca de -3 °C (26 °F).

[0033] Em uma modalidade exemplificativa, o trocador de calor 120 está em comunicação fluida com a turbina 124 e a válvula de limite baixo 128 para receber a corrente de ar combinada 144 que é passada através do trocador de calor 120 para troca de calor indireta com a segunda corrente de ar quente comprimida, parcialmente resfriada 138 antes de sair da unidade de refrigeração de ECS 14 como a corrente de ar de subcongelamento 146.

[0034] Em uma modalidade exemplificativa, a corrente de ar de subcongelamento 146 sai da unidade de refrigeração de ECS 14 através de uma saída 174 (174’) e ao longo da linha 148 (148’) que é configurada como um duto 149 que é disposto a jusante da unidade de refrigeração de ECS 14 e que conecta de modo fluido a unidade de refrigeração de ECS 14 à tubulação 60. O duto 149 é acoplado à saída 174. Em uma modalidade exemplificativa, um sensor de temperatura 150 é disposto no duto 149, por exemplo, acoplado à superfície interna de parede do duto 149 próxima à saída da unidade de refrigeração de ECS 14. O sensor de temperatura 150 mede uma temperatura da corrente de ar de subcongelamento 146 e se comunica com o controle de válvula de limite baixo 142 por meio da linha 152 para fornecer um sinal indicativo da temperatura da corrente de ar de subcongelamento 146 para o controle de válvula de limite baixo 142. Em uma modalidade exemplificativa, o controle de válvula de limite baixo 142 regula a válvula de limite baixo 128 em resposta ao sinal.

[0035] Também em referência à Figura 4, em uma modalidade exemplificativa, ο duto 149 tem uma superfície interna 56 que tem um tratamento gelofóbico 158. Uma superfície que tem um tratamento gelofóbico significa que a superfície resiste ou impede substancialmente formação de nucleação de gelo de uma gotícula de água super-resfriada, água abaixo da temperatura de congelamento normal de 0 °C (32 °F), na superfície. Ou seja, a formação de água em sua forma sólida é impedida ou adiada em tais superfícies, ou se formada, a taxa de acumulação na superfície é significativamente retardada. Adicionalmente, adesão de gelo á superfície é reduzida, de modo que possa ser facilmente removida. Em uma modalidade exemplificativa, a superfície gelofóbica tem uma resistência à adesão de gelo menor que cerca de 100 kPa, por exemplo, menor que cerca de 20 kPa. Diversos tratamentos conhecidos por aqueles versados na técnica para formar uma superfície gelofóbica podem ser usados. Exemplos não limitantes de tratamentos gelofóbicos para superfícies incluem formar estruturas em microescala por ablação de laser, superfícies com nanoestruturas formadas por gravação a seco, microinserção e superfícies de alumínio não estruturadas formadas por gravação e anodização, esferas de PMMA microdimensionadas revestidas por rotação de múltiplas camadas que são reticuladas por sílica, nanocompósitos de atapulgita/organossilano revestido por aspersão ou similares. Dessa maneira, quando a corrente de ar de subcongelamento 146 é recebida e avança ao longo do duto 149 disposto na linha 148, o duto 149 resiste à, atrasa ou impede formação de gelo ao longo da sua superfície interna 156. Vantajosamente, em uma modalidade exemplificativa, isso minimiza qualquer oportunidade de equipamento a jusante ser danificado, por exemplo, por peças de gelo que podem, de outro modo, se formar e acumular ao longo da superfície interna 156 do duto 149 e, eventualmente, se romper.

[0036] Ademais, em uma modalidade exemplificativa, porções da unidade de refrigeração de ECS 14 têm superfícies internas que têm um tratamento (ou tratamentos) gelofóbico 158 para resistir a ou impedir formação de gelo, como discutido acima. Em particular, a unidade de refrigeração de ECS 14 inclui seções de conduto 176 (por exemplo, seções de cano) que direcionam o fluxo de ar através da unidade de refrigeração de ECS 14 para os diversos componentes de operação de unidade para resfriar o ar e formar a corrente de ar de subcongelamento 146. Como ilustrado na Figura 2, uma ou mais das seções de conduto 176 em regiões 178 da unidade de refrigeração de ECS 14 têm superfícies internas que têm um tratamento (ou tratamentos) gelofóbico 158. Por exemplo, isso inclui, de modo independente, uma ou mais das seções de conduto 176 a jusante de trocadores de calor 118 e/ou 120, a turbina 124, a válvula de limite baixo 128 e/ou o separador de água 139.

[0037] Em referência à Figura 1, como brevemente discutido acima, uma porção do ar de purga quente é introduzida na tubulação 58 por meio da linha 39. A tubulação 58 e a tubulação 60 são configuradas de modo cooperativo para suprir a porção do ar de purga quente por meio da linha 160 e a corrente de ar de subcongelamento por meio da linha 162, respectivamente, que são misturadas ou combinadas juntas a jusante para formar uma corrente de ar misturada na linha 164 e avançada a partir da mesma para o duto de suprimento de veículo 62. Em uma modalidade exemplificativa, ao longo da linha 160, está uma válvula de controle 166 que regula a taxa de fluxo de ar de purga quente fora da tubulação 58 para controlar a temperatura da corrente de ar misturada (combinada com a corrente de ar de subcongelamento) ao longo da linha 162. Em uma modalidade exemplificativa, a corrente de ar misturada tem uma temperatura de cerca de 20 a cerca de 24°C (de cerca de 68 a cerca de 76 °F) e uma pressão de cerca de 0,1 a cerca de 0,12 MPa (de cerca de 15 psia a cerca de 17 psia).

[0038] O duto de suprimento de veículo 62 supre o interior 18 do veículo 10 com a corrente de ar misturada. Embora apenas um único duto de suprimento de veículo 62 seja mostrado, deve ser entendido que o veículo 10 pode incluir mais de um duto de suprimento de veículo (por exemplo, múltiplos dutos de zona interna de cabine, por exemplo, que podem ser opcionalmente controlados de modo independente) que supre o interior 18 do veículo 10 com a corrente de ar misturada. Uma válvula 168 está em comunicação fluida com o interior 18 e é configurada para exaurir uma porção do ar interno 20 para fora do veículo, por exemplo, para controlar a pressão do ar interno 20 que permanece no interior 18.

[0039] Em referência à Figura 5, um método 300 para operar um sistema de controle ambiental (ECS) para um veículo de acordo com uma modalidade exemplificativa é fornecido. O método 300 inclui introduzir (ETAPA 302) uma primeira porção e uma segunda porção de ar de purga quente em uma unidade de refrigeração de ECS. O ar ambiente é introduzido (ETAPA 304) na unidade de refrigeração de ECS. o calor é indiretamente trocado (ETAPA 306) entre a primeira porção do ar de purga quente e o ar ambiente na unidade de refrigeração de ECS para formar uma corrente de ar quente parcialmente resfriada.

[0040] O método 300 inclui ainda operar (ETAPA 308) a unidade de refrigeração de ECS para compressão, troca de calor indireta adicional e expansão da corrente de ar quente parcialmente resfriada para formar uma corrente de ar expandida e resfriada que tem uma temperatura menor que cerca de -3 °C (26 °F). A segunda porção de ar de purga quente é avançada (ETAPA 310) através de uma válvula de limite baixo na unidade de refrigeração de ECS para introduzir a segunda porção do ar de purga quente na corrente de ar expandida e resfriada. A segunda porção regula a válvula de limite baixo com um controle de válvula de limite baixo para controlar a taxa de introdução da segunda porção do ar de purga quente na corrente de ar expandida e resfriada para formar uma corrente de ar combinada que, ao sair da unidade de refrigeração de ECS, é uma corrente de ar de subcongelamento que tem uma temperatura menor que cerca de 0 °C (32 °F), mas maior que a corrente de ar expandida e resfriada.

[0041] Embora pelo menos uma modalidade exemplificativa tenha sido apresentada na descrição detalhada anterior da revelação, deve ser observado que um grande número de variações existe. Também deve ser observado que a modalidade exemplificativa ou as modalidades exemplificativas são apenas exemplos e não se destinam a limitar o escopo, a aplicabilidade ou a configuração da revelação de qualquer forma. Em vez disso, a descrição detalhada anterior fornecerá àqueles versados na técnica um roteiro conveniente para implantar uma modalidade exemplificativa da revelação. Deve ser entendido que diversas alterações podem ser realizadas na função e disposição de elementos descritos em uma modalidade exemplificativa, sem se afastar do escopo da revelação, conforme estabelecido nas reivindicações anexas.

Claims

Sistema de controle ambiental (ECS) para um veículo, em que o sistema de controle ambiental é caracterizado pelo fato de que compreende:
uma unidade de refrigeração de ECS configurada para receber ar ambiente e uma primeira porção e uma segunda porção de ar de purga quente, em que a unidade de refrigeração de ECS é operável para:
trocar indiretamente calor entre a primeira porção do ar de purga quente e o ar ambiente para formar uma corrente de ar quente parcialmente resfriada; e
comprimir troca de calor indireta adicional e expandir a corrente de ar quente parcialmente resfriada para formar uma corrente de ar expandida e resfriada que tem uma temperatura menor que cerca de -3 °C (26 °F), em que a unidade de refrigeração de ECS compreende uma válvula de limite baixo configurada para introduzir a segunda porção do ar de purga quente na corrente de ar expandida e resfriada; e
um controle de válvula de limite baixo configurado para regular a válvula de limite baixo para controlar a taxa de introdução da segunda porção do ar de purga quente na corrente de ar expandida e resfriada para formar uma corrente de ar combinada que, ao sair da unidade de refrigeração de ECS, é uma corrente de ar de subcongelamento que tem uma temperatura menor que cerca de 0 °C (32 °F), mas maior que a corrente de ar expandida e resfriada.
Sistema de controle ambiental, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade de refrigeração de ECS é operável para formar a corrente de ar expandida e resfriada que tem uma temperatura de cerca de -7 a cerca de -4 °C (de cerca de 20 a cerca de 25 °F).
Sistema de controle ambiental, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade de refrigeração de ECS e o controle de válvula de limite inferior são configurados de modo cooperativo para formar a corrente de ar de subcongelamento que tem uma temperatura de cerca de -4 a cerca de -1 °C (de cerca de 25 a cerca de 30 °F) ao sair da unidade de refrigeração de ECS.
Sistema de controle ambiental, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade de refrigeração de ECS e o controle de válvula de limite inferior são configurados de modo cooperativo para formar a corrente de ar de subcongelamento que tem uma temperatura de cerca de -3 °C (26 °F) ao sair da unidade de refrigeração de ECS.
Sistema de controle ambiental, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade de refrigeração de ECS compreende:
um primeiro trocador de calor que é configurado para estar em comunicação fluida com o ar ambiente e a primeira porção do ar de purga quente para troca de calor indireta para formar a corrente de ar quente parcialmente resfriada;
um compressor em comunicação fluida com o primeiro trocador de calor e configurado para receber e comprimir a corrente de ar quente parcialmente resfriada para formar uma corrente de ar quente comprimida; e
um segundo trocador de calor que é configurado para estar em comunicação fluida com o ar ambiente e a corrente de ar quente comprimida para troca de calor indireta para formar uma primeira corrente de ar quente comprimida, parcialmente resfriada, e em que a unidade de refrigeração de ECS é operável para troca de calor indireta adicional e expansão da primeira corrente de ar quente comprimida, parcialmente resfriada para formar a corrente de ar expandida e resfriada.
Sistema de controle ambiental, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a unidade de refrigeração de ECS compreende:
um terceiro trocador de calor em comunicação fluida com o segundo trocador de calor e configurado para receber e resfriar parcialmente a primeira corrente de ar quente comprimida, parcialmente resfriada para formar uma segunda corrente de ar quente comprimida, parcialmente resfriada;
um quarto trocador de calor em comunicação fluida com o terceiro trocador de calor e configurado para receber e resfriar parcialmente a segunda corrente de ar quente comprimida, parcialmente resfriada para formar uma corrente de ar quente comprimida, parcialmente resfriada adicional que é passada através do terceiro trocador de calor para troca de calor indireta com a primeira corrente de ar quente comprimida, parcialmente resfriada; e
uma turbina em comunicação fluida com o terceiro trocador de calor e configurada para receber, expandir e resfriar a corrente de ar quente comprimida, parcialmente resfriada adicional para formar a corrente de ar expandida e resfriada, e em que o quarto trocador de calor está em comunicação fluida com a turbina e a válvula de limite baixo para receber a corrente de ar combinada que é passada através do quarto trocador de calor para troca de calor indireta com a segunda corrente de ar quente comprimida, parcialmente resfriada antes de sair da unidade de refrigeração de ECS como a corrente de ar de subcongelamento.
Sistema de controle ambiental, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a unidade de refrigeração de ECS compreende uma pluralidade de seções de conduto que direcionam o fluxo de ar através da unidade de refrigeração de ECS para formar a corrente de ar de subcongelamento, em que uma ou mais das seções de conduto a jusante do terceiro trocador de calor, quarto trocador de calor, a turbina e/ou a válvula de limite baixo têm superfícies internas que têm um tratamento (ou tratamentos) gelofóbico.
Sistema de controle ambiental, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um sensor de temperatura que é configurado para medir uma temperatura da corrente de ar de subcongelamento e que está em comunicação com o controle de válvula de limite baixo para fornecer um sinal indicativo da temperatura da corrente de ar de subcongelamento para o controle de válvula de limite baixo, em que o controle de válvula de limite baixo é configurado para regular a válvula de limite baixo em resposta ao sinal.
Veículo, conforme definido na reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle ambiental compreende um duto que é disposto a jusante da unidade de refrigeração de ECS e que é configurado para receber a corrente de ar de subcongelamento, e em que o sensor de temperatura é disposto no duto.
Veículo, conforme definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle ambiental compreende um duto que é disposto a Jusante da unidade de refrigeração de ECS e que é configurado para receber a corrente de ar de subcongelamento, e em que o duto tem uma superfície interna que compreende um tratamento gelofóbico.
Método para operar um sistema de controle ambiental (ECS) para um veículo, caracterizado pelo fato de que o método compreende as etapas de:
introduzir uma primeira porção e uma segunda porção de ar de purga quente em uma unidade de refrigeração de ECS;
introduzir ar ambiente na unidade de refrigeração de ECS; trocar indiretamente calor entre a primeira porção do ar de purga quente e o ar ambiente na unidade de refrigeração de ECS para formar uma corrente de ar quente parcialmente resfriada;
operar a unidade de refrigeração de ECS para compressão, troca de calor indireta adicional e expansão da corrente de ar quente parcialmente resfriada para formar uma corrente de ar expandida e resfriada que tem uma temperatura menor que cerca de -3 °C (26 °F); e
avançar a segunda porção de ar de purga quente através de uma válvula de limite baixo na unidade de refrigeração de ECS para introduzir a segunda porção do ar de purga quente na corrente de ar expandida e resfriada, em que avançar a segunda porção compreende regular a válvula de limite baixo com um controle de válvula de limite baixo para controlar a taxa de introdução da segunda porção do ar de purga quente na corrente de ar expandida e resfriada para formar uma corrente de ar combinada que, ao sair da unidade de refrigeração de ECS, é uma corrente de ar de subcongelamento que tem uma temperatura menor que cerca de 0 °C (32 °F), mas maior que a corrente de ar expandida e resfriada.
Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende ainda as etapas de:
detectar uma temperatura da corrente de ar de subcongelamento com um sensor de temperatura; e
comunicar um sinal do sensor de temperatura para o controle de válvula de limite baixo indicativo da temperatura da corrente de ar de subcongelamento, em que o controle de válvula de limite baixo é configurado para regular a válvula de limite baixo em resposta ao sinal.
Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que avançar compreende regular a válvula de limite baixo com o controle de válvula de limite baixo para formar a corrente de ar combinada que sai da unidade de refrigeração de ECS como a corrente de ar de subcongelamento que tem uma temperatura de cerca de -4 a cerca de -1 °C (de cerca de 25 a cerca de 30 °F).
Veículo, caracterizado pelo fato de que compreende:
uma estrutura de veículo que envolve pelo menos parcialmente um interior;
uma fonte de ar quente suportada pela estrutura de veículo e configurada para produzir ar quente que é extraído da fonte de ar quente como ar de purga quente; e
um sistema de controle ambiental (ECS) configurado para estar em comunicação fluida com o interior e que compreende:
uma unidade de refrigeração de ECS configurada para receber ar ambiente do lado de fora do veículo e uma primeira porção e uma segunda porção do ar de purga quente, em que a unidade de refrigeração de ECS é operável para:
trocar indiretamente calor entre a primeira porção do ar de purga quente e o ar ambiente para formar uma corrente de ar quente parcialmente resfriada; e
comprimir troca de calor indireta adicional e expandir a corrente de ar quente parcialmente resfriada para formar uma corrente de ar expandida e resfriada que tem uma temperatura menor que cerca de -3 °C (26 °F), em que a unidade de refrigeração de ECS compreende uma válvula de limite baixo configurada para introduzir a segunda porção do ar de purga quente na corrente de ar expandida e resfriada; e
um controle de válvula de limite baixo configurado para regular a válvula de limite baixo para controlar a taxa de introdução da segunda porção do ar de purga quente na corrente de ar expandida e resfriada para formar uma corrente de ar combinada que, ao sair da unidade de refrigeração de ECS, é uma corrente de ar de subcongelamento que tem uma temperatura menor que cerca de 0 °C (32 °F), mas maior que a corrente de ar expandida e resfriada.
Veículo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a fonte de ar quente é uma unidade de potência auxiliar (APU) que é acoplada à estrutura de veículo.
Veículo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a fonte de ar quente é um motor que é acoplado à estrutura de veículo.
Veículo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle ambiental compreende um sensor de temperatura que é configurado para medir uma temperatura da corrente de ar de subcongelamento e que está em comunicação com o controle de válvula de limite baixo para fornecer um sinal indicativo da temperatura da corrente de ar de subcongelamento para o controle de válvula de limite baixo, em que o controle de válvula de limite baixo é configurado para regular a válvula de limite baixo em resposta ao sinal.
Veículo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle ambiental compreende:
uma primeira tubulação em comunicação fluida com a fonte de ar quente para receber uma terceira porção do ar de purga quente; e
uma segunda tubulação em comunicação fluida com a unidade de refrigeração de ECS para receber a corrente de ar de subcongelamento, em que a primeira tubulação e a segunda tubulação são configuradas de modo cooperativo para suprir a terceira porção do ar de purga quente e a corrente de ar de subcongelamento, respectivamente, que são combinadas juntas a Jusante para formar uma corrente de ar misturada que é comunicada de modo fluido para o interior.
Veículo, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle ambiental compreende um duto que é disposto a Jusante da unidade de refrigeração de ECS e que fornece comunicação fluida da unidade de refrigeração de ECS para a segunda tubulação, e em que o duto tem uma superfície interna que compreende um tratamento gelofóbico.
Veículo, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que 0 sistema de controle ambiental compreende um duto de suprimento de veículo que é disposto no interior e que é configurado para introduzir a corrente de ar misturada no interior, e em que a corrente de ar misturada tem uma temperatura de cerca de 20 a cerca de 24 °C (de cerca de 68 a cerca de 76 °F).