CN106064671A - 在循环期间将机舱排放空气与放出空气混合的环境控制系统 - Google Patents
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Abstract
提供了一种系统和方法，其包括空气循环机、放出空气流、至少一个热交换器以及进气口，所述进气口被配置来供应所述放出空气流。所述放出空气根据高压模式或再循环冷却模式从源流出以与再循环空气混合。所述系统和方法还能够根据以上模式利用从腔室流出的所述再循环空气来驱动或维持所述空气循环机。
Description
背景技术
总的来说，航天工业存在趋向于飞机内更有效的系统的整体趋势。相对于飞机的当前空调系统，能够基于飞机周围的环境条件利用适当的发动机分供压力来得到效率。
例如，来自飞机的发动机的加压空气通过改变加压空气的温湿度和压力的一系列系统来提供给机舱。为了启动加压空气的这种制备，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。遗憾地是，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，环境控制系统包括：空气循环机，所述空气循环机包括压缩机和涡轮；来自源的放出空气流；第一阀，所述第一阀被配置来控制所述放出空气流；来自腔室的再循环空气流；以及第二阀，所述第二阀被配置来控制所述再循环空气流。
通过本发明的技术可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
在所附权利要求书中具体指出并明确要求被认为是本发明的主题。通过以下结合附图的具体实施方式可以清楚地了解本发明的上述及其他特征和优点，其中：
图1描绘根据实施方案的系统的示意图；
图2描绘根据实施方案的系统的另一个示意图；
图3描绘根据实施方案的系统飞机的高压模式示意图；
图4描绘根据实施方案的系统飞机的低压模式模式示意图；并且
图5描绘根据实施方案的系统飞机的增压压力模式示意图。
具体实施方式
参照附图，本文通过举例而非限制的方式呈现所公开的装置和方法的一个或多个实施方案的具体实施方式。
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，需要的是环境控制系统，所述环境控制系统除去初级热交换器并且使用机舱排放空气来在高空启动循环，从而提供在较高发动机燃料燃烧效率下的机舱加压和冷却。
总的来说，本文所公开的本发明的实施方案可以包括一种系统和/或方法（本文中为系统），所述系统包括环境控制系统，所述环境控制系统排除位于发动机与空气循环机之间的热交换器以创造可能的最低压降轨迹。环境控制系统提供机舱空调的新方法，所述机舱空调例如能够在低到机舱压力以下2.5 psi的压力下工作。
图1示出流动通过系统100从进气口101到腔室102的介质(例如，空气)，如实线箭头A，B指示。在系统100中，介质能够从进气口101流动到压缩装置120、从压缩装置120流动到二级热交换器130、并且从二级热交换器130流动到腔室102。此外，介质从腔室102通过系统100再循环并且返回到腔室102 (和/或系统100外部)，如点划线箭头D，E指示。
在一个实施方案中，系统100能够是交通工具诸如飞机或船只的任何环境控制系统，所述环境控制系统为交通工具(例如，飞机的机舱空调系统)的机组人员和乘客提供空气供应、热控制和机舱加压。所述系统还可以包括航空电子设备冷却、烟雾检测和灭火。例如，在飞机上，通过从涡轮发动机的压缩机级“流出”来向环境控制系统供应空气。这种“放出空气”的温度、湿度和压力根据压缩机级和涡轮发动机的每分钟转数而广泛地变化。为了实现所需温度，放出空气在其通过至少一个热交换器(例如，交换器130)时被冷却。为了实现所需压力，放出空气在其通过压缩装置(例如，压缩装置120)时被压缩。环境控制系统与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加压空气对于发动机所需的燃料燃烧的量。
热交换器(例如，二级热交换器130)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、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，通过推或拉的方法)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120 (例如，如下所述的空气循环机)是控制／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，压缩机通常由电动机或蒸汽或燃气涡轮驱动。
应注意，图1的系统100与包括传统的机舱三轮空调系统的常规机舱空调系统相对照。在常规机舱空调系统中，例如来自发动机的高压空气顺序地通过第一冲压空气热交换器、空气循环机、第二冲压空气热交换器以及空气在其中冷却和除湿的高压水分离器，使得生成的干燥冷空气被用来冷却机舱、飞行甲板以及其他飞机系统。在工作中，那么来自任一发动机的高压高温空气进入第一热交换器并且由冲压空气冷却。这种高压暖空气接着进入ACM压缩机中。所述压缩机还加压空气并且在过程中加热空气。空气接着进入第二热交换器并且由冲压空气冷却到近似周围温度。这种高压冷空气进入高压水分离器，其中空气流过再热器、其中空气被冷却；冷凝器，其中空气由来自ACM涡轮的空气冷却；除湿器，其中空气中的湿气被去除；以及再热器，其中空气被加热回几乎其在当进入高压水分离器时开始的相同的温度。高压并且现在干燥的暖空气进入涡轮，空气在其中膨胀并且做功。来自涡轮的功驱动上述压缩机以及用来通过第一和第二热交换器拉动冲压空气流的风扇。在离开涡轮之后，冷空气(通常低于冰点)冷却冷凝器中的暖湿空气并且接着被发送来适应机舱和飞行甲板。
根据以上飞机实例，现将参考图2-5描述图1的系统100。图2描绘如能够被安装在飞机上的系统200 (例如，系统100的实施方案)的示意图。系统200示出在进气口201处流动(例如，在初始流速、压力、温度和湿度下切断飞机的发动机)的放出空气，这进而在最终流速、压力、温度和湿度下被提供给腔室202 (例如，机舱、飞行甲板等)。接着放出空气通过系统200从腔室202往回再循环(本文中为再循环空气并且由点划线表示)以驱动系统200。系统包括外壳210，所述外壳210用于接收和引导冲压空气通过系统200。
系统200还示出二级热交换器220、空气循环机240 (其包括涡轮243、压缩机244、涡轮245、涡轮247、风扇248以及轴249)、再热器250、冷凝器260以及除湿器270，其中每个通过管子、管道等连接。应注意，基于实施方案，来自系统200的废气能够被发送至出气口(例如，释放到周围空气)。
系统200是飞机中为飞机的机组人员和乘客提供空气供应、热控制以及机舱加压的环境控制系统的实例。阀是以下装置：通过打开、关闭或部分地阻碍环境控制系统200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。阀能够通过致动器来操作，以使得环境控制系统200的任何部分中的任何介质的流速可以被调节为所需值。二级热交换器220是如上所述的热交换器的实例。
包括涡轮243、压缩机244、另一个涡轮245、另一个涡轮247、风扇248以及轴249的空气循环机240 (例如，压缩装置120)控制/调节介质的温度、湿度以及压力(例如，增加放出空气的压力)。压缩机244是提高所接收的空气的压力的机械装置。压缩机244被配置来(不管在低压模式期间(例如，在高空)、高压模式(例如，在地面)、再循环冷却模式或增压压力模式期间)对从腔室202中排放的再循环空气进行加压以匹配或紧密地匹配放出空气的压力。涡轮243、245、247是通过轴249驱动压缩机244和风扇248的机械装置。风扇248是能够通过推或拉的方法迫使空气通过外壳210，从而在可变冷却气流下通过二级热交换器220的机械装置。因此，涡轮243、245、247，压缩机244以及风扇248共同示出(例如)空气循环机240可以作为利用从腔室202再循环的空气的五轮空气循环机来工作。
再热器250和冷凝器260是具体类型的热交换器。除湿器270是临时地或永久地执行从任何源(诸如放出空气)中吸收水的过程的机械装置。再热器250、冷凝器260、和/或除湿器270能够共同结合成高压水分离器。
应注意，在图2的环境控制系统200中不存在“初级”热交换器。以此方式，环境控制系统200示出与常规系统相比能够在相对较低的压力下工作(例如，在机舱压力以下2.5 psi下工作)的机舱空调(例如，腔室202)的新方法。也就是说，环境控制系统200除去“初级”热交换器并且利用来自腔室202的再循环空气(例如，使用机舱排放空气)以在高空启动空气循环机240。进而，当环境控制系统200与三端口放出系统结合时，位于发动机与空气循环机之间的直接轨迹创造了可能最低的压降轨迹。
图2的箭头示出如由阀引导的放出空气和再循环空气可以流动通过环境控制系统200的所有可能的轨迹。现将参照图3-5来描绘流动轨迹的不同组合的实施方案。
图3描绘系统200在高压模式下工作(例如，图2的系统200的操作性实施方案)的示意图。放出空气流被示出为流动通过系统200从进气口201到腔室202的实线箭头。再循环空气流被示出为从腔室202通过系统200流动的点划线箭头。能够在当来自源(例如，发动机和/或APU)的气压足够来驱动系统200的循环时或当腔室202温度要求时的飞行条件下使用这种工作模式。例如，条件诸如地面慢车、滑行、起飞、爬升、降落、待机等条件将使得空气循环机240在高压模式下工作。另外，超高温高海拔巡航条件可能导致空气循环机240中的一个或多个在此模式下工作。
在工作中，再循环空气从腔室202流动并且进入压缩机244。压缩机244还加压再循环空气并且在过程中加热所述再循环空气。另外，放出空气诸如来自源(例如，发动机和/或APU)的高压高温空气从进气口201流出、通过涡轮247、并且在压缩机244的下游与加压的和加热的再循环空气混合。以此方式，来自源的放出空气通过进气口201在与再循环空气混合之前由空气循环机240的涡轮247调适(例如，穿过涡轮247膨胀)。混合空气接着进入二级热交换器220并且由外壳210的冲压空气冷却到近似周围温度。由于这种混合，从压缩机244排放的再循环空气的压力由压缩机244管理以匹配或紧密地匹配从涡轮247排放的放出空气的压力。这种高压混合冷空气离开二级热交换器220并且进入高压水分离器。
应注意，在常规飞机系统中，根据由混合腔室执行的过程产生供应给机舱的空气。混合腔室将来自包(例如，空气循环机)的在第一温度下的放出空气与来自机舱的在第二温度下的再循环空气混合，以向机舱提供已调适的空气。相比之下，高压模式的操作性实施方案在空气循环机240内共同调适来自源的再循环空气和放出空气以产生高压混合冷空气，从而除去对混合腔室的需要。
在高压水分离器中，高压混合冷空气流过再热器250、其中空气被冷却；冷凝器260，其中空气由来自空气循环机240的涡轮243的空气冷却；除湿器270，其中空气中的湿气被去除；以及再热器250，其中空气被加热回几乎其在当进入高压水分离器时开始的相同的温度。高压并且现在干燥的暖空气进入涡轮243，空气在其中膨胀使得能够做功。来自涡轮243的功能够驱动上述压缩机244以及用来拉动冲压空气流动通过外壳210并且穿过二级热交换器220的风扇248。在离开涡轮243之后，空气是寒冷的，诸如低于冰点。这种冷空气在被发送至腔室202之前被用来冷却冷凝器260中的暖湿空气(例如，以适应飞机的机舱和飞行甲板)。
应注意，在超高温高海拔巡航条件下(例如，当飞机在巡航时，诸如高于30,000或40,000英尺)，高压混合冷空气一旦离开二级热交换器220就可以旁通高压水分离器并且直接进入腔室202。在此情形下，来自腔室的再循环空气可以被用来驱动涡轮245并且防止空气循环机240风转(即，低于最小转速转动，诸如3,000、3,500、4,000、4,500、5,000、5,500、6,000等转数/分钟)。也就是说，再循环空气被从腔室202排出，穿过涡轮245膨胀，并且基于外壳210的周围空气与再循环空气之间的压力比被泄入外壳210中。防止风转的机构的其他实例包括电风扇、断路、旁通风扇等。
图4描绘系统200在再循环冷却模式下工作的示意图(例如，图2的系统200的操作性实施方案)。放出空气流被示出为流动通过系统200从进气口201到腔室202的实线箭头。再循环空气流被示出为从腔室202通过系统200流动的点划线箭头。能够在当来自源(例如，发动机和/或APU)的气压足够来驱动系统200的循环时或当腔室202温度要求时的飞行条件下使用这种工作模式。将要在其中来自源(例如，发动机和/或APU)的气压在处于或近似处于1至3 psi或超过腔室202的压力下进入空气循环机240的飞行条件下使用这种工作模式。例如，可以在此类条件下(如当飞机在巡航时(例如，在高于30,000或40,000英尺高度)并且处于或接近标准环境日类型时)利用这种模式。
在工作中，再循环空气从腔室202流动并且进入压缩机244。压缩机244还加压再循环空气并且在过程中加热所述再循环空气。另外，放出空气诸如来自源(例如，发动机和/或APU)的高压高温空气从进气口201流出，并且在压缩机244的下游与加压的和加热的再循环空气混合。以此方式，来自源的放出空气通过进气口201完全旁通空气循环机240。混合空气接着进入二级热交换器220并且由外壳210的冲压空气冷却到近似周围温度。由于这种混合，从压缩机244排放的再循环空气的压力由压缩机244管理以匹配或紧密地匹配放出空气的压力。这种高压冷混合空气离开二级热交换器220，旁通高压水分离器，并且进入腔室202。在这种情形下，再循环空气被用来使空气循环机240保持在处于或高于最小转速转动，从而使用再循环空气来驱动涡轮245。
图5描绘系统200在增压压力模式下工作的示意图(例如，图2的系统200的另一个操作性实施方案)。放出空气流被示出为流动通过系统200从进气口201到腔室202的实线箭头。再循环空气流被示出为从腔室202通过系统200流动的点划线箭头。能够在当来自源并且进入空气循环机240的空气的压力低于腔室202的压力时(例如，处于或低于1、1.5、2、2.5、3、3.5等磅/平方英寸)的飞行条件下使用这种工作模式。例如，可以在此类条件下(如当飞机在巡航时(例如，在高于30,000或40,000英尺高度)并且处于或接近标准环境日类型时)利用这种模式。
在工作中，来自源的放出空气通过进气口201与再循环空气的一部分混合来产生混合空气。所混合的空气接着进入压缩机244并且被压缩和加热。这种加压混合暖空气接着进入二级热交换器220并且由外壳210的冲压空气冷却到腔室202所需的温度。空气接着直接进入腔室202中。
另外，再循环空气的另一部分被用来提供用于对所混合的空气进行压缩和加热的能量。也就是说，再循环空气的所述另一部分穿过涡轮245进入并且膨胀，并且使得做功。这个功足以在压缩机244要求的转速下转动空气循环机240以通过进气口201将来自源的混合空气的压力提高到使得混合空气能够通过二级热交换器220并且进入腔室202中的压力。应注意，离开涡轮245的再循环空气接着被通过外壳210泄向舱外。
本发明的实施方案的技术效应和益处包括提供如在增压压力模式和高压模式下是高效的空气循环机。例如，在上述实施方案中，高压模式下的压缩机能够具有14.7 psi的进口压力，而在增压压力模式下压缩机进口压力能够是8.5 psia。进而，选择高压模式下的压缩机的气流，压缩机范围能够变窄以对准压缩机工作点并且实现增压压力模式下的更高的效率。
本文参照根据本发明的实施方案的方法、装置和/或系统的流程图图解、示意图和/或方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，但是其并不意在穷尽或者限于所公开的实施方案。在不背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显而易见的。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。如本说明书中所使用的，单数形式“一个”、“一种”以及“所述”也意图包括复数形式，除非上下文以其他方式明确指出。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明确说明存在所述特征、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。在不背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的实施方案，但是应理解，现在或将来本领域的技术人员可以做出落入所附权利要求范围内的各种改进和提强。这些权利要求应该解释为对首次描述的本发明的适当保护。
Claims (14)
1.一种环境控制系统，其包括：
空气循环机，所述空气循环机包括压缩机和涡轮；
来自源的放出空气流；
第一阀，所述第一阀被配置来控制所述放出空气流；
来自腔室的再循环空气流；以及
第二阀，所述第二阀被配置来控制所述再循环空气流。
2.如权利要求1所述的环境控制系统，其中所述第一阀使所述放出空气流直接进入所述涡轮，
其中所述第二阀使所述再循环空气流直接进入所述压缩机，
其中所述放出空气穿过所述涡轮膨胀，以便驱动所述压缩机。
3.如权利要求2所述的环境控制系统，其中从所述压缩机离开的所述再循环空气的第一压力与从所述涡轮离开的所述放出空气的第二压力匹配。
4.如权利要求2所述的环境控制系统，其中从所述压缩机离开的所述再循环空气以及从所述涡轮离开的所述放出空气被混合来产生混合空气。
5. 如权利要求4所述的环境控制系统，其还包括：
至少一个热交换器，
其中所述混合空气被提供给所述至少一个热交换器。
6.如权利要求2所述的环境控制系统，其还包括：
高压水分离器，所述高压水分离器被配置来调适所述混合空气以产生调适空气；以及
所述空气循环机的第二涡轮，所述第二涡轮被配置来接收来自所述高压水分离器的所述调适空气，
其中随着所述调适空气穿过所述第二涡轮膨胀，所述空气循环机做功以通过所述压缩机压缩所述再循环空气。
7.如权利要求1所述的环境控制系统，其中所述第一流量阀使所述放出空气流旁通所述空气循环机，并且
其中所述第二阀使所述再循环空气流的第一部分直接进入所述压缩机，
其中所述第二阀使所述再循环空气流的第二部分直接进入所述涡轮。
8.如权利要求7所述的环境控制系统，其中随着所述再循环空气的所述第二部分穿过所述涡轮膨胀，所述空气循环机做功以通过所述压缩机压缩所述再循环空气的所述第一部分。
9.如权利要求7所述的环境控制系统，其中所述再循环空气的所述第二部分基于能量比穿过所述涡轮膨胀以转动所述空气循环机的轴。
10.如权利要求7所述的环境控制系统，其中从所述压缩机离开的所述再循环空气的第一压力与旁通所述空气循环机的所述放出空气的第二压力匹配。
11.如权利要求1所述的环境控制系统，其中所述第一流量阀使所述放出空气流直接进入所述压缩机，并且
其中所述第二阀使所述再循环空气流直接进入所述涡轮。
12.如权利要求11所述的环境控制系统，其中随着所述再循环空气穿过所述涡轮膨胀，所述空气循环机做功以通过所述压缩机压缩所述放出空气。
13.如权利要求11所述的环境控制系统，其中所述再循环空气基于能量比穿过所述涡轮膨胀以转动所述空气循环机的轴。
14.如权利要求1所述的环境控制系统，其中所述环境控制系统是飞机的。
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