CN105857618B - 利用并联冲压式热交换器的环境控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用并联冲压式热交换器的环境控制系统，公开了一种包括多个热交换器和压缩装置的系统，其被配置来制备从发动机的低压位置放出并以并行的方式穿过多个热交换器而流入到舱室中的介质。所述压缩装置与所述多个热交换器连通，并且调节流过所述多个热交换器的所述介质的压力。

Description

利用并联冲压式热交换器的环境控制系统

背景技术

一般而言，针对飞机当前的空调系统，机舱增压和冷却通过巡航时的发动机分供压力来提供动力。例如，来自飞机的发动机的压缩空气通过改变压缩空气的温度和压力的一系列系统来提供给机舱。为了启动压缩空气的这种制备，唯一能源是空气自身的压力。因此，当前的空调系统在巡航时始终要求相对较高的压力。不幸的是，鉴于航天工业趋向于更有效的飞机的整体趋势，相对较高的压力相对于发动机燃料燃烧而言提供了有限的效率。

发明内容

根据一个实施方案，系统包括介质，其从发动机的低压位置流到舱室；多个热交换器；定位在所述多个热交换器上游的阀，所述阀被配置来使所述介质以并行的方式分流穿过所述多个热交换器中的至少第一热交换器和第二热交换器。

根据另一个实施方案，方法包括通过第一阀接收从发动机的低压位置流到舱室的介质；通过定位在多个热交换器上游的所述第一阀以并行的方式使所述介质分流穿过所述多个热交换器中的至少第一热交换器和第二热交换器；以及通过第二阀将离开所述第二热交换器的介质流与离开所述第一热交换器的介质流组合。

通过本发明中的技术实现另外的特征和优点。本发明的其他实施方案和方面在本文中进行了详细描述并且被认为是所要求保护的发明的一部分。为了更好地理解本发明及其优点和特征，参考描述和附图。

附图说明

在说明书结尾的权利要求书中具体指出并明确要求保护被认为是本发明的主题。通过以下结合附图的详细描述可以清楚地了解本发明的上述以及其他特征和优点，在附图中：

图1为根据一个实施方案的环境控制系统的示意图；

图2为根据一个实施方案的环境控制系统的操作实例；

图3为根据一个实施方案的环境控制系统的流程的实例。

具体实施方式

参考附图，本文通过举例而非限制的方式呈现所公开的设备和方法的一个或多个实施方案的详细描述。

如上文所指出，相对较高的压力相对于发动机燃料燃烧提供有限的效率。因此，需要以下这样的环境控制系统：跨越多个热交换器以并行的方式提供介质，从而在高发动机燃料燃烧效率下提供机舱增压和冷却。

一般而言，本文公开的本发明的实施方案可包括系统，其包括多个热交换器；以及介质，其流过所述多个热交换器，其中所述介质从发动机的低压位置放出，穿过并联的多个热交换器而进入舱室。发动机的低压位置提供初始压力水平接近介质一旦处在舱室内就呈现的压力(例如，舱室压力)的介质。相比之下，常规系统利用比舱室压力大得多的初始压力水平。例如，如果所需舱室压力是5 psia，常规系统将从发动机的高压位置放出提供为所述舱室压力三倍的初始压力水平(例如，15 psia)的空气。另外，低压位置上介质的压力可略微高于或略微低于舱室压力(例如，当舱室压力是5 psia时沿着4至7 psia的范围的任何值)。

在这种低压下从低压位置放出介质引起比从高压位置放出空气更少的燃料燃烧。然而，由于介质起始于这个相对较低的初始压力水平并且由于在多个热交换器上会出现压降，因此在介质流过所述多个热交换器时，所述介质会下降到低于舱室压力。当介质的压力低于舱室的压力时，所述介质不会流到所述舱室中以提供增压和温度调节。因此，所述系统将介质流分成多股分流，以使得所述介质可以并行的方式进入到至少两个热交换器中，从而允许连接到低压位置。

图1示出系统100，其中介质(例如，空气)从入口101穿过阀105、106，初级热交换器110，二级热交换器120以及压缩装置130而流到舱室102。

一般而言，系统100将介质供应给任何环境(例如，舱室102)，从而提供所述环境的调节和/或监控。在一个实施方案中，系统100是交通工具诸如飞机的任何环境控制系统，所述环境控制系统为飞机的机组人员和乘客提供空气供应、热控制以及机舱增压。环境控制系统还可包括航空电子设备冷却、烟雾检测和/或灭火。另外，针对飞机实例，为了舒适性和增压两者，系统100将压缩空气(例如，介质)供应给飞机的驾驶舱(例如，舱室102)。空气通过从飞机发动机的压缩机级和/或直接从外部空气(例如，经由冲压波进气系统)“放出”而在入口101处供应给系统100。这种“放出空气”的温度和压力根据压缩机级和飞机发动机的每分钟转数而广泛地变化。为了实现所需温度，放出空气在其穿过热交换器110、120时被冷却。为了实现所需压力，放出空气在其穿过装置130时被压缩。应注意，系统100与飞机发动机的相互作用会影响执行与所述相互作用相关的操作诸如供应压缩空气对于飞机发动机所需的燃料燃烧的量。

阀诸如阀105、106是以下装置：通过打开、关闭或部分地阻碍系统100的管子、管道等内的各种通道来调节、引导和/或控制介质(例如，气体、液体、流化固体、或浆料，诸如放出空气)流。阀可通过致动器来操作，以使得系统100的任何部分中的任何介质的流速可被调节为所需值。例如，阀105使得介质流能够从入口101分流穿过初级热交换器110和二级热交换器120。另外，阀106使得介质流能够从初级热交换器110运送到压缩装置130和/或舱室102。

热交换器(例如，初级热交换器110和二级热交换器120)是为了一种介质到另一种介质的高效的热传递而构造的设备。热交换器的实例包括套管式、壳管式、板式、板壳式、转轮式(adiabatic wheel)、板翅式、枕板式以及流体热交换器。继续以上飞机实例，由风扇强迫(例如，经由推或拉的方法)和/或飞行期间冲压的空气在可变冷却气流下吹过热交换器以控制放出空气的最终空气温度。

压缩装置130 (例如，如下所述的空气循环机)是调节介质的压力(例如，增加气体的压力)的机械装置。压缩机的实例包括离心式、斜流式或混流式、轴流式、往复式、离子液体活塞式、旋转螺旋式、旋叶式、涡旋式、膜片式、气泡式压缩机。另外，压缩机通常由电机或蒸汽或燃气涡轮驱动。

在一个操作中，系统100可通过激活阀106来绕过压缩装置130，以将所述介质流从入口101分流到初级热交换器110和二级热交换器120 (例如，箭头A)。两个热交换器进而冷却其对应的介质部分。之后，离开二级热交换器120的介质流通过阀106的激活而与离开初级热交换器110的介质流组合(例如，箭头B)。这个操作可称为使介质的压力降低接近舱室压力的热交换器冷却模式。

根据以上飞机实例，现将参考图2描述图1的系统100。图2示出环境控制系统200(例如，系统100的实施方案)，其除了图1的先前描述的物品之外还包括外壳201，阀207、208、209，压缩装置130 (其包括压缩机242、涡轮245、风尚248以及轴249)，以及高压水分离器260，它们各自经由管子、管道、导管等等连接，以使得在入口101 (例如，飞机的发动机的高压位置或低压位置)处接受放出空气并且将所述放出空气提供给舱室102 (例如，机舱、驾驶舱等)。

环境控制系统200是飞机中为飞机的机组人员和乘客提供空气供应、热控制以及机舱增压的环境控制系统的实例。外壳201是使用运动中的飞机产生的动态空气压力来增加外壳内的静态空气压力的冲压系统的冲压室的实例。阀207、208、209是上述阀的实例。

压缩装置130可以是调节介质的压力(例如，增加放出空气的压力)的空气循环机。涡轮245是经由轴249驱动压缩机242和风扇248的机械装置。压缩机242是压缩从第一热交换器(例如，初级热交换器110)接收的放出空气的机械装置。风扇248是经由推或拉的方法迫使空气通过外壳201，从而在可变冷却气流下穿过热交换器的机械装置。压缩机242、涡轮245和风扇248一起调节压力，并且说明例如空气循环机(例如，压缩装置130)可作为三轮式空气循环机操作。反过来，三轮式空气循环机可包括部件的附加物，诸如动力涡轮，所述动力涡轮利用来自舱室102的废气来将另外的动力提供给压缩装置130。

高压水分离器260是暂时地或永久地执行上述热交换器的操作和/或从放出空气去除水分的处理的机械装置。

在一个操作中，在入口101处，以比最终流速、压力(例如，12 psia)和温度大得多的初始流速、压力(例如，35 psia)和温度从飞机的发动机的高压位置接受放出空气。使放出空气穿过初级热交换器110 (所述初级热交换器110通过冷却降低温度)而馈送到压缩机242 (所述压缩机242之后提高压力)。然后，由于关闭了阀208、209，使放出空气穿过二级热交换器120 (所述二级热交换器120也通过冷却降低温度)而馈送到高压水分离器260。

在另一个操作中，冷却模式操作可由环境控制系统200来执行。现将针对图3描述冷却模式操作。图3示出流程300，其起始于框310，其中在入口101处，以接近最终流速、压力和温度的初始流速、压力(例如，13 psia)和温度从飞机的发动机的低压位置接受放出空气。之后，在框320处，由于激活了阀105、106，放出空气分流穿过初级热交换器110和二级热交换器120 (例如，并联)两者，以使得阀105处的放出空气的第一温度统一下降为可处于或接近舱室102的温度的第二温度。也就是说，环境控制系统200可通过激活阀106来绕过压缩装置130，以将所述放出空气流从入口101分流到初级热交换器110和二级热交换器120 (例如，箭头A)。两个热交换器进而冷却其对应的放出空气部分。之后，在框330处，离开二级热交换器120的放出空气流通过阀106的激活而与离开初级热交换器110的放出空气流组合(例如，箭头B)。一般而言，冷却模式操作可称为将放出空气的温度降低到舱室所要求的温度的热交换器冷却模式。冷却模式操作可在以下情况下利用：热交换器110、120的冲压空气冷却是充足的(例如，冲压空气将足够的能量提供给热交换器110、120以降低放出空气的温度)并且放出空气的压力是足够高的以通过环境控制系统200来维持压力，而不需要压缩装置130。

本文参考根据本发明的实施方案的方法、设备和/或系统的流程图图解、示意图和/或框图来描述本发明的方面。此外，出于说明目的已经呈现了本发明的各种实施方案的描述，但是其并不意图是穷尽的或者限于所公开的实施方案。在不脱离所描述实施方案的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说将是明显的。选择本文所使用的术语来最好地解释实施方案的原理、对在市场中发现的技术的实际应用或技术改进，或使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施方案。

本文中所使用的术语仅仅是为了描述具体实施方案，并且不意图限制本发明。如本文所使用，单数形式“一个”、“一种”和“所述”也意图包括复数形式，除非上下文另外明确指出。应当进一步理解，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”在本说明书中使用时规定存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。

本文所描绘的流程图只是一个实例。在不脱离本发明的精神的情况下，本文所描述的这个图或步骤(或操作)可以有许多变型。例如，可以按不同的顺序执行所述步骤，或可以增加、删除或修改步骤。所有的这些变型被认为是所要求保护的发明的一部分。

虽然已经描述了本发明的优选实施方案，但是将理解，现在和将来的本领域的技术人员可以作出落入以下权利要求范围内的各种改进和增强。这些权利要求应被解释为维持对首次描述的本发明的适当保护。

Claims (11)

1.一种系统，其包括：

介质，其从发动机的低压位置流到舱室；

多个热交换器；

定位在所述多个热交换器上游的阀，所述阀被配置来使所述介质以并行的方式分流穿过所述多个热交换器中的至少第一热交换器和第二热交换器；

与所述多个热交换器连通的压缩装置，其被配置来调节所述介质的压力，

其中所述介质在所述阀使所述介质以并行的方式分流穿过至少所述第一热交换器和所述第二热交换器时绕过所述压缩装置。

2.如权利要求1所述的系统，其中离开所述第二热交换器的所述介质的流通过激活第二阀而与离开所述第一热交换器的所述介质的流组合。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述阀处的所述介质的第一温度在所述介质以并行的方式流过所述第一热交换器和所述第二热交换器时下降为第二温度。

4.如权利要求3所述的系统，其中冲压空气冷却将足够的能量提供给所述多个热交换器，以将所述第一温度下降为所述第二温度。

5.如权利要求1所述的系统，其中发动机的所述低压位置处的所述介质的压力略微高于舱室压力。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述系统是飞机的环境控制系统，

其中所述介质是从所述飞机的发动机放出的空气，以及

其中所述舱室是所述飞机的机舱。

7.一种执行热交换器冷却模式的方法，其包括：

通过第一阀接收从发动机的低压位置流到舱室的介质；

通过定位在多个热交换器上游的所述第一阀使所述介质以并行的方式分流穿过所述多个热交换器中的至少第一热交换器和第二热交换器；以及

通过第二阀将离开所述第二热交换器的所述介质的流与离开所述第一热交换器的所述介质的流组合；

根据通过所述第二阀进行的离开所述第二热交换器的所述介质的所述流与离开所述第一热交换器的所述介质的所述流的所述组合而绕过与所述多个热交换器连通的压缩装置。

8.如权利要求7所述的方法，其还包括：

在所述介质以并行的方式流过所述第一热交换器和所述第二热交换器时使所述第一阀处的所述介质的第一温度下降为第二温度。

9.如权利要求8所述的方法，其还包括：

将冲压空气冷却提供给所述多个热交换器，以将所述第一温度下降为所述第二温度。

10.如权利要求7所述的方法，其中发动机的所述低压位置处的所述介质的压力略微高于舱室压力。

11.如权利要求7所述的方法，其中所述第一阀、所述第二阀和所述多个热交换器被包括在飞机的环境控制系统中，

其中所述介质是从所述飞机的发动机放出的空气，以及

其中所述舱室是所述飞机的机舱。

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