CN112960119B - 一种节能型环控系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于飞行器环境控制系统领域，公开了一种节能型环控系统及工作方法；本发明的节能型环控系统充分利用飞行器中座舱与设备舱所存在的压力差，用座舱排放气体驱动气体引射器，引射高空外界环境低温空气，进入设备舱冷却电子设备，以保障电子设备正常工作。本发明与现有技术相比，充分利用了座舱和设备舱的压力差，能量利用率高，降低了飞机引气量和燃油代偿损失，方便可行，易于调节和控制，具有较高的可靠性，便于实现。

Description

一种节能型环控系统及工作方法

技术领域

本发明属于飞行器环境控制系统领域，具体是一种节能型环控系统及工作过程。

背景技术

飞机飞行时，外界环境条件变化剧烈，从炎热高湿的海岛机场，到空气稀薄而温度极低的高空，环境气压可能降至约为海平面标准气压的20%～30%，气温为零下50-60℃，因此飞机上必须要有适合人类生存的座舱，其座舱内压力、温度、氧分压可满足人类生存的生理需求；与此同时，飞机上还装载有大量电子设备，这些电子设备工作时将释放出热量，要确保机载电子设备的正常工作，也需要技术措施来满足电子设备冷却的要求。

考虑到通风、增压、制冷的一体化功能，现役飞机主要采用空气循环制冷系统。空气制冷循环属于开式逆布雷顿循环，环境空气由压气机压缩，再经换热器由冲压空气冷却，最终在涡轮中膨胀至低温后送入舱室。根据空气循环机的组成和制冷系统结构不同，空气压缩制冷循环主要经历了涡轮通风式、二轮升压式、三轮升压式等制冷循环，系统结构和动态特性日益复杂，性能也随之不断提高。

随着飞机多电技术的发展，飞机环控系统不再将发动机引气作为制冷空调唯一气源，而采用电驱动压气机直接通过发动机空气入口从环境吸气，压缩至一定压力后，接入三轮升压式制冷及高压除水空调系统。如 B787飞机，电力由安装在主发动机或辅助动力装置（APU）轴上的发电机组产生，其优点是: 1）取消发动机引气，发动机设备数量减少，复杂程度和造价降低，可靠性上升；2）气源温度和压力较低，整个环控系统设计难度下降，因此不需要对管道进行特殊设计，不需要加装管道温度监控系统，换热器也较小；3）发动机发电系统设计得到优化，发电效率提高，部分弥补额外2台压气机的电功率消耗；4）因引气取消，发动机燃烧器中空气量更充分，燃烧效率和发动机推力提高。

事实上，无论是从飞机发动机压气机引气还是通过电驱动压气机来提供高压空气，当前环境系统设计中均未充分考虑座舱与设备舱的压差和不同的温度要求，当前的环控系统设计中均是将高压气体通过冷却涡轮膨胀至座舱所需要的压力和温度，并将通过冷却涡轮膨胀后的冷却气体直接流入座舱和设备舱。由于座舱压力、温度要求远高于设备舱（为了保障乘员生理健康需要，飞机达到巡航高度时，座舱的压力高度不小于2400m，温度高于18℃；而设备舱压力为巡航高度压力，温度可以高达70℃），它不仅直接造成了能量的浪费，带来了燃油代偿损失的增加，而且增加了引气量需求。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种节能型环控系统，本发明的技术充分利用飞行器中座舱与设备舱所存在的压力差，解决现有技术中存在的能量的浪费、燃油代偿损失以及增加引气量的缺陷。

本发明是这样实现的：

一种节能型环控系统，所述的系统包括电动机、第一换热器，第二换热器，第一换热器，第二换热器均包含热侧通道和冷侧通道；所述的电动机同轴连接第一压气机，所述的第一压气机出口和第一换热器热侧通道入口连接；所述第一换热器热侧通道出口与第二压气机入口相连；所述的第二压气机出口后依次连接有第二换热器的热侧通道、温度控制活门、回热器的热侧通道、冷凝器的热侧通道、水分离器；所述的水分离器的出口依次连接于回热器的冷侧通道、冷却涡轮；

所述的冷却涡轮的出口再连接于冷凝器冷侧通道入口；所述的冷凝器冷侧通道出口依次连接于第一单向活门、混合室；

所述的混合室后依次连接有最低温度限制器、温度预感器、最高温度限制器、压力传感器、座舱；所述的座舱的回风通道出口依次连接于再循环空气过滤器、第二单向活门、座舱空气再循环风扇、混合室的回风通道入口。

进一步，所述的电动机与第一压气机同轴连接，电动机驱动第一压气机直接通过飞机发动机空气入口从环境吸气，不直接从发动机引气作为气源。

进一步，所述的第一换热器冷侧通道入口和出口均接外界空气；所述的第二换热器冷侧通道入口和出口均接外界空气。

进一步，所述的水分离器液态水出口通过管道喷淋至第二换热器冷侧通道入口。

进一步，所述的座舱排气出口与引射器连接；所述的引射器包含引射流体入口、进气口和出气口；所述引射器的引射流体入口接外界空气，出气口与电子设备舱连接。

进一步，所述的第二压气机与冷却涡轮通过轴相连接，所述的第二压气机前还通过轴相连接于风扇；所述的冷却涡轮膨胀作功，驱动同轴的风扇和第二压气机工作；所述风扇设置在第一换热器和第二换热器冷侧通道和外界空气相连的管道中，用于驱动冲压空气冷气流。

进一步，所述的环控系统通过自动控制器控制；所述的自动控制器的电流输入端分别和最低温度限制器、温度预感器、最高温度限制器、压力传感器电气相连；所述的自动控制器的电流输出端和温度控制活门电气相连。

一种节能型环控系统，所述的环控系统工作过程包括引气输送与制冷过程、数据采集与控制过程；具体地，所述的引气输送与制冷过程具体为：

电动机驱动第一压气机直接通过发动机空气入口从环境吸气；引气首先进入第一换热器，由冲压空气预冷后进入压气机增压升温；由压气机供给的高温高压气体经过第二换热器进一步冷却；第一换热器和第二换热器冷源由风扇抽吸冲压空气提供；经第二换热器再次冷却后的气体通过温度控制活门、回热器热侧通道进入冷凝器热侧通道入口；

从水分离器中除去的水，由喷嘴喷淋至第二换热器冷侧通道冲压空气进口，通过蒸发冷却冲压空气；经水分离器除水后的混合气体进入冷却涡轮膨胀降温；随后进入冷凝器冷侧通道入口；

经冷凝器气体由第一单向活门进入混合室；座舱的部分回风经过再循环空气过滤器，第二单向活门，座舱空气再循环风扇也进入混合室与其混合；

由混合室排出的调制气体经过最低温度限制器，温度预感器，最高温度限制器，压力传感器供入座舱，由于座舱排出废气与电子设备舱存在压差，用其作为引射器的主动流，外界冷空气通过引射器被引射至电子设备舱，用以冷却电子设备，提高电子设备工作可靠性。

进一步，所述的数据采集与控制过程具体为：

最低温度限制器，温度预感器，最高温度限制器测得进入座舱气体的温度，并将信号传输到所述自动控制器；当温度高于/低于预设温度，所述自动控制器输出控制信号调节温度控制活门开度，通过调节进入冷却涡轮流量来实现温度控制；

压力传感器测得进入座舱前的气体压力，并将信号传输到所述自动控制器；当压力高于预设压力，所述自动控制器输出控制信号调节电动机减少引气量，当压力低于预设压力，所述自动控制器输出控制信号调节电动机增加引气量。

本发明与现有技术的有益效果在于：

本发明充分利用飞行器中座舱与设备舱所存在的压力差，用座舱排放气体驱动气体引射器，引射高空外界环境低温空气，进入设备舱冷却电子设备，以保障电子设备正常工作；本发明充分利用了座舱和设备舱的压力差的目的在于能够将能量不浪费，且能量利用率高，降低了飞机引气量和燃油代偿损失，方便可行，易于调节和控制，具有较高的可靠性，便于实现。

附图说明

图1为一种节能型环控系统及工作方法示意图；

其中，1-电动机，2-第一压气机，3-第一换热器，4-风扇，5-第二压气机，6-第二换热器，7-温度控制活门，8-回热器，9-冷凝器，10-水分离器，11-冷却涡轮，12-第一单向活门，13-混合室，14-最低温度限制器，15-温度预感器，16-最高温度限制器，17-压力传感器，18-座舱，19-再循环空气过滤器，20-第二单向活门，21-座舱空气再循环风扇，22-引射器，23-电子设备舱，24-自动控制器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明一种节能型环控系统及工作方法，包括电动机1，第一压气机2，第一换热器3，风扇4，第二压气机5，第二换热器6，温度控制活门7，回热器8，冷凝器9，水分离器10，冷却涡轮11，第一单向活门12，混合室13，最低温度限制器14，温度预感器15，最高温度限制器16，压力传感器17，座舱18，再循环空气过滤器19，第二单向活门20，座舱空气再循环风扇21，引射器22，电子设备舱23，自动控制器24。

所述的第一换热器3，第二换热器6，回热器8，冷凝器9均包含热侧通道和冷侧通道；所述引射器22包含引射流体入口、进气口和出气口；

所述的第一压气机2和电动机1同轴连接，电动机1驱动第一压气机2直接通过发动机空气入口从环境吸气，不直接从发动机引气作为气源；

所述的风扇4，第二压气机5，冷却涡轮11通过轴依次连接，冷却涡轮11膨胀作功，驱动同轴的风扇4和第二压气机5工作；所述风扇4设置在第一换热器3和第二换热器6冷侧通道和外界空气相连的管道中，用于驱动冲压空气冷气流；

所述第一压气机2出口和第一换热器3热侧通道入口连接；所述第一换热器3热侧通道出口与第二压气机5入口通过管道相连，第一换热器3冷侧通道入口和出口均接外界空气；

所述第二压气机5出口、第二换热器6的热侧通道、温度控制活门7，回热器8的热侧通道、冷凝器9的热侧通道、水分离器10的入口通过管道依次相连；所述第二换热器6冷侧通道入口和出口均接外界空气；

所述水分离器10的出口和回热器8的冷侧通道、冷却涡轮11的入口通过管道依次连接，水分离器10液态水出口通过管道喷淋至第二换热器6冷侧通道入口，以提高换热器效率；

所述冷却涡轮11的出口和冷凝器9冷侧通道入口管道相连；所述冷凝器9冷侧通道出口经第一单向活门12通入混合室13；

所述混合室13经最低温度限制器14，温度预感器15，最高温度限制器16，压力传感器17和座舱18管道相连；所述座舱18的回风通道出口通过再循环空气过滤器19，第二单向活门20，座舱空气再循环风扇21与混合室13的回风通道入口管道连接；

所述座舱18排气出口与引射器22的进气口管道连接；所述引射器22的引射流体入口接外界空气，出气口与电子设备舱23通过管道连接。

所述自动控制器24的电流输入端分别和最低温度限制器14，温度预感器15，最高温度限制器16，压力传感器17电气相连；所述自动控制器24的电流输出端和温度控制活门7电气相连。

本发明的一种基于不同舱内压力要求的三轮式升压除水系统的工作过程包括引气输送与制冷过程、数据采集与控制过程，具体步骤如下：

1）引气输送与制冷过程

电动机1驱动第一压气机2直接通过发动机空气入口从环境吸气。引气首先进入第一换热器3，由冲压空气预冷后进入第二压气机5增压升温；由压气机供给的高温高压气体经过第二换热器6进一步冷却；第一换热器3和第二换热器6冷源由风扇4抽吸冲压空气提供；经第二换热器6再次冷却后的气体通过温度控制活门7、回热器8热侧通道进入冷凝器9热侧通道入口；回热器8和冷凝器9的作用是进一步降低水分离器10入口气体温度，使得尽可能多的水蒸气凝结为水滴并被分离，提高制冷系统的工作效率。

从水分离器10中除去的水，由喷嘴喷淋至第二换热器6冷侧通道冲压空气进口，通过蒸发冷却冲压空气，用以提高热交换器的效率。

经水分离器10除水后的混合气体进入冷却涡轮11膨胀降温；随后进入冷凝器9冷侧通道入口。

经冷凝器9气体由第一单向活门12进入混合室13；座舱18的部分回风经过再循环空气过滤器19，第二单向活门20，座舱空气再循环风扇21也进入混合室13与其混合。由混合室13排出的调制气体经过最低温度限制器14，温度预感器15，最高温度限制器16，压力传感器17供入座舱18。由于座舱18排出废气与电子设备舱23存在压差，用其作为引射器22的主动流，外界冷空气通过引射器22被引射至电子设备舱23，用以冷却电子设备，提高电子设备工作可靠性。

2）数据采集与控制过程

最低温度限制器14，温度预感器15，最高温度限制器16测得进入座舱18气体的温度，并将信号传输到所述自动控制器24；当温度高于/低于预设温度，所述自动控制器24输出控制信号调节温度控制活门7开度，通过调节进入冷却涡轮11流量来实现温度控制。

压力传感器17测得进入座舱18前的气体压力，并将信号传输到所述自动控制器24；当压力高于预设压力，所述自动控制器24输出控制信号调节电动机1减少引气量，当压力低于预设压力，所述自动控制器24输出控制信号调节电动机1增加引气量。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种节能型环控系统，其特征在于，所述的系统包括电动机（1）、第一换热器（3）和第二换热器（6）；第一换热器（3）、第二换热器（6）均包含热侧通道和冷侧通道；所述的电动机（1）同轴连接第一压气机（2），所述的第一压气机（2）出口和第一换热器（3）热侧通道入口连接；所述第一换热器（3）热侧通道出口与第二压气机（5）入口相连；所述的第二压气机（5）出口后依次连接有第二换热器（6）的热侧通道、温度控制活门（7）、回热器（8）的热侧通道、冷凝器（9）的热侧通道和水分离器（10）；所述的水分离器（10）的出口依次连接有回热器（8）的冷侧通道、冷却涡轮（11）；

所述的冷却涡轮（11）的出口再连接于冷凝器（9）冷侧通道入口；所述的冷凝器（9）冷侧通道出口依次连接有第一单向活门（12）、混合室（13）；

所述的混合室（13）后依次连接有最低温度限制器（14）、温度预感器（15）、最高温度限制器（16）、压力传感器（17）和座舱（18）；所述的座舱（18）的回风通道出口依次连接于再循环空气过滤器（19）、第二单向活门（20）、座舱空气再循环风扇（21）和混合室（13）的回风通道入口；

所述的电动机（1）与第一压气机（2）同轴连接，电动机（1）驱动第一压气机（2）直接通过飞机发动机空气入口从环境吸气，不直接从发动机引气作为气源；

所述的座舱（18）排气出口与引射器（22）连接；所述的引射器（22）包含引射流体入口、进气口和出气口；所述引射器（22）的引射流体入口接外界空气，出气口与电子设备舱（23）连接；

所述的第二压气机（5）与冷却涡轮（11）通过轴相连接，所述的第二压气机（5）前还通过轴相连接于风扇（4）；所述的冷却涡轮（11）膨胀作功，驱动同轴的风扇（4）和第二压气机（5）工作；所述风扇（4）设置在第一换热器（3）和第二换热器（6）冷侧通道和外界空气相连的管道中，用于驱动冲压空气冷气流；

所述的环控系统通过自动控制器（24）控制；所述的自动控制器（24）的电流输入端分别和最低温度限制器（14）、温度预感器（15）、最高温度限制器（16）和压力传感器（17）电气相连；所述的自动控制器（24）的电流输出端和温度控制活门（7）电气相连。

2.根据权利要求1所述的一种节能型环控系统，其特征在于，所述的第一换热器（3）冷侧通道入口和出口均接外界空气；所述的第二换热器（6）冷侧通道入口和出口均接外界空气。

3.根据权利要求1所述的一种节能型环控系统，其特征在于，所述的水分离器（10）液态水出口通过管道喷淋至第二换热器（6）冷侧通道入口。

4.一种如权利要求1所述的节能型环控系统的工作方法，其特征在于，所述的环控系统工作过程包括引气输送与制冷过程、数据采集与控制过程；具体地，所述的引气输送与制冷过程具体为：

电动机（1）驱动第一压气机（2）直接通过发动机空气入口从环境吸气；引气首先进入第一换热器（3），由冲压空气预冷后进入压气机（5）增压升温；由压气机供给的高温高压气体经过第二换热器（6）进一步冷却；第一换热器（3）和第二换热器（6）冷源由风扇（4）抽吸冲压空气提供；经第二换热器（6）再次冷却后的气体通过温度控制活门（7）、回热器（8）热侧通道进入冷凝器（9）热侧通道入口；

从水分离器（10）中除去的水，由喷嘴喷淋至第二换热器（6）冷侧通道冲压空气进口，通过蒸发冷却冲压空气；经水分离器（10）除水后的混合气体进入冷却涡轮（11）膨胀降温；随后进入冷凝器（9）冷侧通道入口；

经冷凝器（9）气体由第一单向活门（12）进入混合室（13）；座舱（18）的部分回风经过再循环空气过滤器（19）、第二单向活门（20）、座舱空气再循环风扇（21）进入混合室（13）与其混合；

由混合室（13）排出的调制气体经过最低温度限制器（14）、温度预感器（15）、最高温度限制器（16）、压力传感器（17）供入座舱（18），由于座舱（18）排出废气与电子设备舱（23）存在压差，用其作为引射器（22）的主动流，外界冷空气通过引射器（22）被引射至电子设备舱（23），用以冷却电子设备，提高电子设备工作可靠性。

5.根据权利要求4所述的一种节能型环控系统的工作方法，其特征在于，所述的数据采集与控制过程具体为：

最低温度限制器（14）、温度预感器（15）和最高温度限制器（16）测得进入座舱（18）气体的温度，并将信号传输到所述自动控制器（24）；当温度高于/低于预设温度，所述自动控制器（24）输出控制信号调节温度控制活门（7）开度，通过调节进入冷却涡轮（11）流量来实现温度控制；

压力传感器（17）测得进入座舱（18）前的气体压力，并将信号传输到所述自动控制器（24）；当压力高于预设压力，所述自动控制器（24）输出控制信号调节电动机（1）减少引气量；当压力低于预设压力，所述自动控制器（24）输出控制信号调节电动机（1）增加引气量。

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