DE102005045130B4

DE102005045130B4 - Wasser-Abwassermodul für Luftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102005045130B4
Application number: DE200510045130
Authority: DE
Inventors: Claus Hoffjann; Wolfgang Zierold; Andreas Westenberger
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2014-04-10
Anticipated expiration: 2025-09-22
Also published as: DE102005045130A1

Abstract

Flugzeug mit einem Wasser-Abwassermodul zur Entsorgung von Fäkalien und Abwässern, zur Bereitstellung von Frischwasser und zur Bereitstellung von einem Vakuum zum Transport von Fäkalien in dem Flugzeug, das Modul umfassend:
einen ersten Tank (2);
einen zweiten Tank (1);
wobei der erste Tank ein vakuumfester Druckbehälter zum Transport von Fäkalien oder Abwässern ist;
wobei der zweite Tank ein drucklos betriebener Lagerbehälter ist;
wobei der zweite Tank unterhalb des ersten Tanks angeordnet ist und mit dem ersten Tank zum Ablassen eines Inhalts des ersten Tanks in den zweiten Tank verbunden ist;
wobei das Modul selbsttragend ist; und
wobei das Modul zum Einsetzen von unten oder seitlich in den Rumpf des Flugzeuges ausgebildet ist;
wobei das Modul eine mit einer Rumpföffnung korrespondierende Kontur aufweist, in die das Modul so einpassbar ist, dass das Modul das Innere des Flugzeugrumpfes nach außen abdichtet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Ver- und Entsorgung eines Luftfahrzeugs. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Flugzeug mit einem Wasser-Abwassermodul zur Entsorgung von Fäkalien und Abwässern, zur Bereitstellung von Frischwasser und zur Bereitstellung von einem Vakuum zum Transport von Fäkalien.
Bei heutigen Vakuum-Abwassersystemen und Frischwasserlagertanks in Passagierflugzeugen werden die Fäkalien aus der WC-Schüssel über Rohrleitungen mittels eines Luftstroms, der im Flugzeug aus dem Differenzdruck zwischen Außenluft und Kabinenluft resultiert, transportiert. Diese Fäkalien werden dann in den sog. Vakuumtanks (Abwasser-Sammeltanks) zumeist im Heck des Luftfahrzeugs gesammelt und nach der Landung am Boden über das sog. „Drain Valve” entsorgt.
Da bei niedrigen Flughöhen oder Standzeiten am Boden der Differenzdruck zwischen Außenluft und Kabinenluft für einen Förderstrom zu gering bzw. gar nicht vorhanden ist, wird zum Aufbau dieses Differenzdrucks der Abwasser-Sammeltank mittels eines Vakuumerzeugers, dem „Blower”, evakuiert. Die so erzielbaren Differenzdrücke liegen etwa zwischen 270 Millibar (Vakuumgenerator) bis 570 Millibar (Reiseflughöhe).
Derzeitige Abwasser-Sammeltanks bestehen aus einem oder mehreren separaten Behältern, die im Druckbereich der Kabine an die Struktur montiert sind. Diese Tanks besitzen auf ihrer Oberseite die Anschlüsse für die Vakuum-Rohrleitungen von den Toiletten, die Anschlüsse für den Vakuumgenerator und die Außenluftleitung mit einer Filtervorrichtung zur Trennung von Luft und Flüssigkeit. An der Unterseite befindet sich in der Regel pro Tank ein Auslaufstutzen für die Drainage der Tanks. Diese Drainagestutzen aller vorhandenen Tanks werden über Ventile abgesperrt und dann zusammengefasst zu einem Drainagestutzen, der an der Unterseite des Rumpfes zusätzlich mit einem Ventil abgesichert ist.
Zusätzlich sind noch Anbauten für die Füllstandsmessung und zur Verhinderung eines Einfrierens der sich in den Tanks befindenden Wasseranteile (z. B. in Fäkalien) vorhanden sowie Vorrichtungen zum Spülen bzw. Reinigen der Tanks.
Frischwasser wird in Luftfahrzeugen in einem oder mehreren Frischwassertanks mitgeführt und über ein Leitungsnetz an die entsprechenden Zapfstellen, wie sie sich z. B. in Bordküchen oder Waschräumen befinden, mit Hilfe einer Pumpe oder durch eine Druckbeaufschlagung des Frischwassertanks mit Druckluft im Flugzeug verteilt.
Das hierfür benötigte Frischwasser wird von außen über einen Tankwagen oder einen Bodenanschluss über eine Befüllvorrichtung an der Außenhaut des Luftfahrzeugs, dem sog. „Service Panel” in die Tanks verbracht. Hierbei ist die Wasserqualität jeweils von der Lieferqualität des jeweiligen Standortes des Luftfahrzeugs abhängig sowie die Menge durch die Tankgröße limitiert.
Die EP 0 466 504 A1 beschreibt ein vakuumunterstütztes Toilettensystem für ein Flugzeug, das einen Zwischenspeichertank aufweist, der an der Toilettenschüssel angeschlossen ist.
Ferner führt ein Abfluss zu einem Ventil, das an einem vakuumunterstützen Fluidseparator angebracht ist, der mit einem Fäkalientank verbunden ist.
Die US 4 306 693 A beschreibt ein Flugzeug mit einem Treibstofftank, der lösbar an der Unterseite des Flugzeugrumpfs befestigt ist.
In der DE 103 39 507 A1 sind Bodenelemente beschrieben, welche Wassertanks und/oder Abwassertanks umfassen können.
Die US 2 623 721 A beschreibt eine Flugzeugstruktur mit darin verwendeten Treibstoff- und Öl- Systemen sowie mit Tanks für andere brennbare Materialien.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Wasserversorgung und Abwasserentsorgung für Luftfahrzeuge bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Flugzeug mit einem Wasser-Abwassermodul zur Entsorgung von Fäkalien und Abwässern, zur Bereitstellung von Frischwasser und zur Bereitstellung von einem Vakuum zum Transport von Fäkalien in einem Flugzeug angegeben, das Modul umfassend einen ersten Tank und einen zweiten Tank, wobei der erste Tank ein vakuumfester Druckbehälter zum Transport von Fäkalien oder Abwässern ist, wobei der zweite Tank ein drucklos betriebener Lagerbehälter ist, und wobei der zweite Tank unterhalb des ersten Tanks angeordnet ist und mit dem ersten Tank zum Ablassen eines Inhalts des ersten Tanks in den zweiten Tank verbunden ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Fäkalien- und Abwasserentsorgung und der Frischwasserbereitstellung als Modul können eine Verkürzung von Einbauzeiten bei der Ausrüstungsmontage, eine Platzeinsparung für Systeme im Kabinenbereich, insbesondere im Frachtraum, sowie eine bessere Zugänglichkeit im Wartungsfall im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen aus Flugzeugrumpf, Abwasser-Sammeltanks und Wasserversorgung erreicht werden. Hierfür sind die Ver- und Entsorgungseinrichtung als integriertes Bauteil zusammengefasst, welches beispielsweise in Form eines selbsttragenden Moduls von unten oder seitlich oder von einer beliebigen anderen Richtung in den Rumpf eingesetzt werden kann. Dieses Modul kann je nach Einbauort z. B. in den Druckbereich des Rumpfes eingeschoben werden und diesen dann nach der Montage abdichten. Bei Einbau in den drucklosen Bereich kann das Modul die Isolations- und Heizfunktionen für die Wasser- und Abwasserkomponenten übernehmen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst das Wasser-Abwassermodul weiterhin eine Rohrleitung zur Verbindung des ersten Tanks mit dem zweiten Tank und ein zwischengeschaltetes Ventil zum Öffnen der Verbindung, wobei das Modul in einem drucklosen Bereich des Flugzeugs angeordnet ist.
Durch Anordnung des Moduls in einem drucklosen Bereich des Flugzeugs kann der bestehende Unterdruck dazu verwendet werden, die Fäkalien oder die Abwasser aus dem Druckbereich des Flugzeugs hinaus in den ersten Tank zu saugen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst das Wasser-Abwassermodul weiterhin einen Druckzylinder, der zum Öffnen des Ventils in einer ersten Seite des Druckzylinders mit Kabinendruck und an einer zweiten Seite des Druckzylinders mit Umgebungsdruck beaufschlagt ist, wobei die Beaufschlagung der ersten und zweiten Seiten des Druckzylinders so gestaltet ist, dass der Druckzylinder bei einem Absenken des Umgebungsdrucks unterhalb des Kabinendrucks das Ventil öffnet.
Somit erfolgt also die Ansteuerung des Ventils über einen Druckzylinder, der den Differenzdruck zwischen Kabine und Außenbereich als Stellenergie verwendet. Beispielsweise arbeitet der Lagerbehälter (zweiter Tank) bei dieser Anordnung in Reiseflughöhe ebenfalls als Vakuumbehälter. Dadurch ist es möglich, einen formangepassten Behälter mit relativ geringen Wandstärken zu realisieren, da zwischen Behälter-Außenbereich und -Innenbereich keinerlei Druckdifferenzen auftreten.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst das Wasser-Abwassermodul weiterhin eine Rohrleitung zur Verbindung des ersten Tanks mit dem zweiten Tank und eine zwischengeschaltete Pumpe zum Umpumpen des Inhalts des ersten Tanks in den zweiten Tank, wobei das Modul in einem druckbeaufschlagten Bereich des Flugzeugs angeordnet ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das Wasser-Abwassermodul einen integrierten Frischwasser-Puffertank zur Bereitstellung von Frischwasser auf.
Somit ist es möglich, innerhalb des Moduls ausreichend Frischwasser zwischenzupuffern, um stets eine ausreichende Versorgung der Fluggäste sicherzustellen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst das Wasser-Abwassermodul weiterhin ein Brennstoffzellenmodul mit zumindest einer Brennstoffzelle zur Erzeugung von Wasser, Sauerstoff und elektrischer Energie, wobei das Brennstoffzellenmodul mit dem integrierten Frischwasser-Puffertank verbunden ist, um dem integrierten Frischwasser-Puffertank das erzeugte Wasser zuzuführen.
Somit kann Frischwasser direkt an Bord des Flugzeugs innerhalb des Wasser-Abwassermoduls erzeugt werden. Hierdurch wird die mitzuführende Wassermenge verringert. Bei entsprechender Dimensionierung des Brennstoffzellenmoduls kann sämtliches in der Luft verbrauchtes Wasser direkt an Bord erzeugt werden, so dass kein Frischwasser am Boden getankt werden muss.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Brennstoffzellenmodul mit einem Passagierbereich verbunden, um den Fluggästen den erzeugten Sauerstoff zuzuführen.
In anderen Worten wird von dem Modul die komplette Wasserversorgung, Abwasser- bzw. Fäkalienentsorgung, die Sauerstoffversorgung und die Wasserstoffversorgung bereitgestellt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das Brennstoffzellenmodul eine thermische Anbindung zur Beheizung einer wasserführenden Komponente des Wasser-Abwassermoduls mit einer Abwärme des Brennstoffzellenmoduls auf.
Auf diese Weise können strukturnahe Tanks, welche sich in der Nähe des Moduls befinden, vom Modul aus beheizt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das Wasser-Abwassermodul ein thermisches Managementsystem auf, welches eine Abwärme des Brennstoffzellenmoduls zur Beheizung einer wasserführenden Komponente des Wasser-Abwassermoduls weiterleitet und steuert.
Auf diese Weise ist es möglich, den Wärmehaushalt von dem Brennstoffzellenmodul und den wasserführenden Komponenten des Wasser-Abwassermoduls derart zu regeln, dass beispielsweise stets ausreichend warmes Wasser bereitsteht bzw. eine Vereisung der wasserführenden Komponenten verhindert wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst das Modul einen Wasserstoffspeicher zum Speichern von Wasserstoff, wobei der Wasserstoffspeicher ein integraler Bestandteil des Moduls ist.
Somit ist eine externe Wasserstoffversorgung nicht erforderlich.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Wasserstoffspeicher in Form eines Drucktanks, eines Metallhydridspeichers oder eines Kühltanks zur Speicherung von flüssigem Wasserstoff ausgeführt. Weiterhin ist neben der Speicherung das Wasserstoffs in Flüssig-, Gas, oder Hydridspeichern auch eine Speicherung in teilverfestigter Form oder ein Speichern in Kohlenstoff-Nanotubes oder Nano-Cubes möglich. Auch sind andere Wasserstoffspeicherungen möglich.
Weiterhin ist das Wasser-Abwassermodul zum Einbau in eine Rumpföffnung des Flugzeugs ausgebildet. Das Modul umfasst hierfür einen Schalenabschnitt, der eine Außenfläche des Moduls bildet und bei dem es sich beispielsweise um einen Abschnitt einer Wandung des zweiten Tanks handeln kann. Damit das erfindungsgemäße Modul nicht bereits während der Struktur- und Ausrüstungsmontage in das Innere des Flugzeugrumpfs eingebaut werden muss, weist der Schalenabschnitt beispielsweise eine Kontur auf, die mit der Kontur der Rumpföffnung des Flugzeugrumpfs korrespondiert, damit das Modul mit seinem Schalenabschnitt in den Flugzeugrumpf zu beliebigen Zeiten eingepasst werden kann. In diesem Fall kommen dann der erste Tank und der zweite Tank im Innenraum des Flugzeugs zum Liegen und die Rumpföffnung wird vollständig durch den Schalenabschnitt verschlossen, so dass von außen keine Diskontinuität in dem Flugzeugrumpf ausgemacht werden kann.
Somit ist es möglich, das Modul getrennt von dem Flugzeugrumpf zu fertigen, so dass dadurch die Struktur- und Ausrüstungsmontage des Flugzeugrumpfs beschleunigt werden kann, da die Integration des erfindungsgemäßen Moduls beispielsweise erst bei der Endmontage des Flugzeugrumpfs vorgemerkt werden muss.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Modul eine mit einer Rumpföffnung korrespondierende Kontur auf, in welche das Modul so einpassbar ist, dass das Modul das Innere des Flugzeugrumpfs nach außen hin abdichtet.
Wie aus den vorangegangenen Ausführungen deutlich hervorgeht, lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Modul die Stillstand- und Wartungszeiten des Flugzeugs erheblich verringern, so dass vorliegende Erfindung direkten Einfluss auf das Flugzeug als solches hat. Insofern betrifft die vorliegende Erfindung gemäß einem weiteren Aspekt ein Flugzeug, das zumindest ein Wasser-Abwassermodul zur Entsorgung von Fäkalien und Abwässern, zur Bereitstellung von Frischwasser und zur Bereitstellung von einem Vakuum zum Transport von Fäkalien entsprechend dem oben beschriebenen Wasser-Abwassermodul aufweist.
Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
1 zeigt eine schematische Fließbild-Darstellung eines Wasser-Abwassermoduls im Druckbereich des Rumpfes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine schematische Fließbild-Darstellung eines Moduls im drucklosen Bereich des Rumpfes gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine schematische Fließbild-Darstellung eines Moduls im Druckbereich des Rumpfes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine schematische Fließbild-Darstellung eines Moduls im drucklosen Bereich des Rumpfes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Heckbereichs eines Flugzeugs mit eingebautem Modul gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt eine schematische Fließbild-Darstellung eines Moduls, eingebaut im Heckbereich eines Flugzeugs, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der folgenden Figurenbeschreibung werden für die gleichen oder ähnlichen Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
1 zeigt eine schematische Fließbild-Darstellung eines Wasser-Abwassermoduls im Druckbereich des Rumpfes mit Standardwasser- und Abwassertanks ausgerüstet. Wie in 1 zu erkennen, besteht das Modul 100 (welches grau hinterlegt ist) im Wesentlichen aus einem Vakuumabwassertank 2, einem Wassertank 5 und verschiedenen Leitungszu- und Abführungen 111, 112, 113, 115 und weiterer Komponente 116. Die Bestandteile des Moduls sind hierbei im Druckbereich 102 des Rumpfes angeordnet, welcher durch Hülle 103 vom Außenbereich 101 abgetrennt ist. Im Außenbereich 101 herrschen Umgebungsbedingungen.
Das Modul 100 ist mit seinem Wassertank 5 über Leitung 111 an ein Wassersystem 106 angeschlossen. Weiterhin ist der Wassertank 5 über Zuleitung 112 wahlweise mit einer Wasserserviceeinheit verbindbar, um den Tank 5 zu befüllen. Der Abwassertank 2 ist über Leitung 113 mit dem Vakuumsystem 108 verbunden und kann über Leitung 114 mit einer Abwasser-Serviceeinheit zum Ablassen des Tanks 2 verbunden werden. Weiterhin kann der Abwassertank 2 über Leitung 115 und Vakuumerzeuger (Blower) 116 nach außen belüftet werden. Der Kabinenbereich 105 ist über Leitung 110 mit der Außenluft 101 verbunden. Die Energieversorgung der Verbraucher 107 erfolgt über Energie, welche über Leitung 109 von den Flugzeuggeneratoren bereitgestellt wird.
2 zeigt eine schematische Fließbild-Darstellung eines Wasser-Abwassermoduls 100 im drucklosen Bereich 101 des Rumpfes, und welches mit Standardwasser- und Abwassertanks ausgerüstet ist. Das Modul 100, welches dunkel gefärbt ist (wie hier auch in 1, 3 und 4) umfasst hierbei neben dem Wassertank 5, dem Abwassertank 2, dem Anschluss an das Wassersystem 106, dem Anschluss an das Vakuumsystem 108 und den entsprechenden Leitungen im Wesentlichen elektrische Heizeinrichtungen 117, 118, 119, welche mit einem thermischen Managementsystem 121 verbunden sind. Die Verbindung zwischen den elektrischen Heizern 117, 118, 119 und dem thermischen Managementsystem 121 erfolgt hierbei über Verbindungen 124, 125, 126 und 127. Der elektrische Heizer 117 ist hierbei zur Beheizung der Leitung 111 vorgesehen, welche vom Wassertank 5 zum im Druckbereich 102 angeordneten Wassersystem 106 führt. Der elektrische Heizer 118 ist zur Beheizung des Wassertanks 5 vorgesehen. Der elektrische Heizer 119 dient der Beheizung von Leitung 113, welche vom Vakuumsystem 108 zum Abwassertank 2 führt. Weiterhin ist ein elektrisches Heizelement 120 zur Beheizung des Abwassertanks 2 vorgesehen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Lösung dar, mit deren Hilfe die Anforderungen eines Modulaufbaus für die Wasserversorgung und für die Abwasserentsorgung im Druckbereich sowie im drucklosen Bereich eines Luftfahrzeugs erfüllt werden und welche ebenfalls die Anforderungen einer Beheizung strukturnaher Tanks erfüllt.
Für eine Verkürzung von Einbauzeiten bei der Ausrüstungsmontage, Platzeinsparung für Systeme im Kabinenbereich (insbesondere im Frachtraum) sowie für eine bessere Zugänglichkeit im Wartungsfall wird die herkömmliche Anordnung aus Flugzeugrumpf, Abwasser-Sammeltanks und Wasserversorgung erfindungsgemäß in einem integrierten Bauteil zusammengefasst, welches in Form eines selbsttragenden Moduls 100 vorzugsweise von unten oder seitlich oder von einer beliebigen anderen Richtung im Rumpf eingesetzt werden kann. Dieses Modul kann je nach Einbauort beispielsweise in den Druckbereich des Rumpfes eingeschoben werden und diesen dann nach erfolgter Montage abdichten. Bei Einbau in den drucklosen Bereich des Rumpfes kann das Modul Isolations- und Heizfunktionen für die Wasser- und Abwasserkomponenten übernehmen.
Die Abwasser-Sammeltanks sind gemäß einem Aspekt der Erfindung ähnlich den Treibstofftanks eines Flugzeugs in die Struktur des Moduls 100 integriert. Ebenfalls ist die Drainagevorrichtung integraler Bestandteil dieses Moduls, wie auch die Vakuumgeneratoren, Füllstandssensoren, Frischwassertanks bzw. ein Wassergenerierungssystem und die Beheizung, so dass bei der Montage des Moduls lediglich die elektrischen Verbindungen, die Wasserverbindungen und die Anschlüsse an die Vakuumförderleitungen und, beim Einbau in den drucklosen Bereich, eine Verbindung zur Kabinenluft hergestellt werden müssen.
Vorteilhafterweise können das Modul und der Rumpf getrennt voneinander gefertigt werden und müssen erst bei der Endmontage des Luftfahrzeugs zusammengeführt werden. Zusätzliche Gewichte durch Strukturverstärkungen und des Rumpfausschnitts für das Modul werden weitgehend durch den Wegfall von Befestigungselementen für die Abwasser-Sammeltanks und die dafür vorhandenen Strukturverstärkungen kompensiert.
Es ist zu beachten, dass die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beliebig miteinander kombiniert werden können.
Die Möglichkeit der Integration des erfindungsgemäßen Wasser-Abwassermoduls in den drucklosen Bereich eines Luftfahrzeugrumpfes erfordert die Erfüllung verschiedener spezifischer Anforderungen, so dass sich insgesamt ein komplexes Gesamtsystem ergibt. Im Wesentlichen wird durch die Verlagerung im Kabinenbereich zusätzlicher Raum geschaffen, der für Passagiere oder Fracht zur Verfügung gestellt werden kann.
3 zeigt eine schematische Fließbild-Darstellung eines Wasser-Abwassermoduls 100 (dunkel eingefärbt), welches im Druckbereich des Rumpfes angeordnet ist und eine Wassergenerierungseinrichtung 3 und strukturintegrierter Abwassertanks 1, 2 aufweist. Wesentliche Bestandteile des Moduls 100 werden von dem ersten Abwassertank 1, dem zweiten Abwassertank 2, der Wassergenerierungseinheit 3 und dem Wasserstoffspeicher 4 gebildet. Der Tank 2 ist ein Vakuum-Abwassertank, welcher über Leitung 113 und das Vakuumsystem 108 angeschlossen ist. Bei dem Tank 1 handelt es sich um einen in seiner Form der Rumpfkontur angepassten Abwasser-Lagertank, welcher über Leitung 149 belüftet werden kann. Zwischen den beiden Tanks 1, 2 ist eine Pumpe 104 geschaltet, um Abwasser vom Vakuumtank 2 in den Lagertank 1 zu pumpen.
Die Wassergenerierung erfolgt über ein Brennstoffzellenmodul, welches eine Brennstoffzelle 3 umfasst. Das Modul ist hierbei über die Leitung 110 mit der Kabinenluft 105 verbunden. Weiterhin ist das Brennstoffzellensystem 3 über eine Leitung 150 mit den Energieverbrauchern (wie beispielsweise den Toiletten, der Küche oder diversen Pumpen oder dergleichen) 107 angeschlossen. Das in der Brennstoffzelle 3 erzeugte Wasser kann über Kondensator 122 und Wasserseparator 123 abgeschieden und separiert werden. Danach wird es dem Frischwasser-Puffertank 5 zugeführt, welcher über Leitung 111 an das Wassersystem 106 angeschlossen ist. Im Wasserseparator vom Wasser isolierte Gase oder dergleichen können über Leitung 151 nach außen abgegeben werden.
Der Wasserstofftank 4, bei dem es sich beispielsweise um einen Metallhydridspeicher, um einen Drucktank oder einen Kühltank handeln kann, kann über Leitung 141 an eine Füllstation angeschlossen werden. Weiterhin sind Leitungen 142, 143 vorgesehen, welche den Tank mit einem Wasserstoffverdampfer 129 verbinden. Der gasförmige Wasserstoff kann dann über Leitung 144 dem Brennstoffzellensystem 3 zugeführt werden. Weiterhin ist ein thermisches Managementsystem 121 vorgesehen, welches über Leitungen 131, 132 an ein Kühlsystem 130 angeschlossen ist. Weiterhin sind Leitungen 137, 138 vorgesehen, welche das thermische Managementsystem 121 mit dem Wasserstoffverdampfer 129 verbinden, um den Wasserstoffverdampfer beispielsweise Wärmeenergie zuzuführen. Weiterhin sind Leitungen 133 und 134 vorgesehen, um den Kondensator 122 Wärme zuzuführen oder von ihnen Wärme abzuführen. Weiterhin sind Wärmeleitungen 135, 136 vorgesehen, welche das thermische Managementsystem 121 mit dem Brennstoffzellenmodul 3 verbinden, um die vom Brennstoffzellenmodul erzeugte Wärme abzuführen oder aber auch dem Modul Wärme zuzuführen.
Sowohl der Wasserstoffspeicher 4, als auch der Kondensator 122 sind mit thermischen Isolierungen 160 gegen die Umgebung abgeschirmt.
4 zeigt ein erfindungsgemäßes Wasser-Abwassermodul 100, angeordnet im drucklosen Bereich des Rumpfes, mit Wassergenerierung und strukturintegrierten Abwassertanks ausgerüstet. Insbesondere sind in diesem Ausführungsbeispiel Heizelemente 148, 130 vorgesehen, welche über entsprechende Zu- bzw. Ableitungen 131, 132 und 139, 140 mit dem thermischen Managementsystem 121 verbunden sind. Das Heizelement 148 dient hierbei zum Heizen des Frischwasser-Puffertanks 5, welcher ja im drucklosen Bereich 101 des Rumpfes angeordnet ist. Weiterhin dient das Heiz/Kühlelement 130 zum Heizen bzw. Kühlen des Abwasser-Lagertanks 1. Zwischen dem Abwasser-Lagertank 1 und dem Vakuum-Abwassertank 2 ist ein Vakuumventil 9 vorgesehen.
Das Frischwassersystem 3, 122, 123, 5 dient der Generierung von Frischwasser aus Brennstoffzellen 3. Das Frischwassersystem 3, 122, 123, 5 wird als komplexes Bauteil dem Modul 100 hinzugefügt, wobei die für eine derartige Komponente erforderlichen Kühlvorrichtungen und Anschlüsse integrale Bestandteile des Moduls sind. Beispielsweise handelt es sich hierbei um die Leitungen 135, 136, 134, 133 und 139, 140.
Im Falle einer Verwendung des Moduls 100 im drucklosen Bereich wird die Abwärme der Brennstoffzellen 3 dazu benutzt, alle wasserführenden Komponenten derart zu beheizen, dass ein Einfrieren unter den in großer Höhe herrschenden Temperaturbedingungen von etwa –55°C oder unter polaren Frostbedingungen mit Windeinfluss (von etwa –70°C) verhindert werden kann. Hierzu werden die Kühler des Brennstoffzellensystems 3 über ein Ventilsystem derart mit erwärmter Kühlflüssigkeit versorgt, dass die im Abwassertank 1 und im Frischwasser-Puffertank 5 enthaltenen Wassermengen zu jedem Zeitpunkt den Gefrierpunkt (0°C) deutlich überschreiten. Ventile und Rohrleitungen, die ebenfalls unter den beschriebenen Bedingungen vom Einfrieren bedroht sind, werden durch das Brennstoffzellensystem 3 elektrisch beheizt.
Da das Brennstoffzellensystem neben Luftsauerstoff, der im vorliegenden Fall aus der Kabinenluft entnommen wird, mit Wasserstoff versorgt werden muss, besteht die Notwendigkeit, diesen Wasserstoff entweder aus Kohlenwasserstoffen zu reformieren oder im flüssigen oder gasförmigen Zustand mitzuführen (siehe Wasserstofftank 4).
Bei der Verwendung von flüssigem Wasserstoff wird dieser zunächst verdampft und auf eine den Brennstoffzellen angemessene Temperatur erwärmt (ca. 10 bis 50°C). Für diesen Verdampfungs- und Erwärmungsvorgang wird ebenfalls die Abwärme der Brennstoffzellen eingesetzt.
Vor Erreichen der Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems (Startvorgang des Systems) wird der flüssige Wasserstoff mittels elektrischer Energie aus dem Bordnetz des Luftfahrzeugs (Batterien, Bodenversorgung, Triebwerksgeneratoren oder APU als Stromlieferanten) verdampft und vorgewärmt.
Der Speichertank für Wasserstoff 4 ist entweder integraler Bestandteil des Moduls 100 oder befindet sich an einem anderen Ort des Luftfahrzeugs mit Zuleitung zum Modul. Da es bei langen Speicherzeiten von flüssigem Wasserstoff zum Abdampfen von Wasserstoff kommt, wird dieser bei Überschreiten eines bestimmten Behälterinnendrucks in den Außenbereich an der Luftfahrzeugoberseite geleitet (nicht dargestellt in den Figuren).
Abweichend von herkömmlichen Vakuum-Abwassersystemen, die lediglich mit einem Druckbehälter arbeiten, der über einen Vakuumerzeuger oder über den Differenzdruck zwischen Kabinenbereich und Außenbereich die Transportenergie für Fäkalien im Vakuumsystem zur Verfügung stellt, werden erfindungsgemäß zwei Behälter pro System eingesetzt, wobei der erste Behälter 2 ein kleinerer Druckbehälter ist, welcher die Transportenergie mit Hilfe eines Vakuumerzeugers oder mit Hilfe des Differenzdruckes zwischen Kabinen- und Außenbereich des Luftfahrzeugs zur Verfügung stellt. Weiterhin ist ein zweiter, größerer Behälter 1 vorgesehen, welcher der Form des Rumpfes angepasst ist und als drucklos betriebener Lagerbehälter für Fäkalien dient. Druckbehälter 2 und Lagerbehälter 1 sind bei einem Modul für den druckbeaufschlagten Bereich über eine Rohrleitung mit Pumpe 104 für den Fäkalientransport verbunden.
Bei einem Modul für den drucklosen Bereich sind diese beiden Behälter 1, 2 lediglich über ein Ventil 9 verbunden. Die Ansteuerung dieses Ventils erfolgt über einen Druckzylinder, der den Differenzdruck zwischen Kabine und Außenbereich als Stellenergie verwendet. Vorteilhafterweise arbeitet der Lagerbehälter 1 bei dieser Anordnung in Reiseflughöhe ebenfalls als Vakuumbehälter. Dadurch ist es möglich, einen formangepassten Behälter 2 mit relativ geringen Wandstärken zu realisieren, da zwischen Behälter-Außenbereich und -Innenbereich keinerlei Druckdifferenzen auftreten.
Weiterhin sind thermische Isolierungen 160 vorgesehen, um eine Isolation der entsprechenden Leitungen, Tanks und anderen Einrichtungen gegenüber der Umgebung zu erreichen.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Heckbereichs eines Flugzeugs mit eingebautem Modul gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Modul 100 umfasst hierbei eine Wasserbereitstellungseinheit, welche beispielsweise ein Brennstoffzellenmodul 3 umfasst, und einen Abwasser-Lagertank 1 und einen Vakuum-Abwassertank 2. Wasserversorgung 3 und Abwassertanks 1, 2 und Wasserstoffspeicher 4 sind hierbei in Form eines Wasser-Abwassermoduls 100 integral zusammengefasst. Das komplette Modul wird dann in eine entsprechende Öffnung des Rumpfes 200 eingeführt und ist der Rumpfkontur angeglichen, wie durch Bezugsziffer 154 verdeutlicht. Weiterhin ist ein Luftbefeuchtermodul 149 vorgesehen, welches am Ort 155 im Rumpf angebracht werden kann. Zusätzlich ist in dem Rumpf ein verbessertes Toiletten- und Vakuumsystem 152 am Ort 153 angebracht, welches über entsprechende Leitungen 156 mit dem Modul verbunden ist.
6 zeigt eine schematische Flussbild-Darstellung eines erfindungsgemäßen beispielhaften Moduls, eingeschoben in eine Öffnung im Heck eines Flugzeugrumpfes 200 und angeschlossen an entsprechende Versorgungsleitungen 22, 23. Insbesondere ist ein Wärmetauscher 6 vorgesehen, welcher mit dem Brennstoffzellensystem 3 verbunden ist. Weiterhin ist ein Vakuumerzeuger 7 vorgesehen, welcher an eine Außenbelüftung 11 und ein Rückschlagventil 21 verbunden ist. Rückschlagventil 21 und Vakuumerzeuger 7 sind an den Vakuum-Abwassertank 2 angeschlossen, um darin ein Vakuum zu erzeugen, wenn der Außendruck zu hoch ist (beispielsweise wenn sich das Flugzeug am Boden befindet).
Weiterhin sind Rückschlagventil 21 und Vakuumerzeuger 7 an das Abwasserventil 9 mit der Druckzylinderansteuerung angeschlossen.
Auch ist eine Belüftung 10 vorgesehen. Auch der Abwasser-Lagertank ist an eine Belüftung 11 nach außen angeschlossen. Auch der Wasserstoffspeicher 4 ist an eine solche Belüftung 11 nach außen angeschlossen.
Das Brennstoffzellensystem 3 ist an einen Einlass 12 für Kabinenluft und an den Wasser-Puffertank 5 angeschlossen. Weiterhin ist eine Wasserpumpe 8 vorgesehen, um Wasser aus dem Puffertank 5 über Verbindungselement 20 zum Wassersystem 22 abzuführen. Abwasser-Lagertank 1 weist weiterhin eine Isolation 24 und ein Abwasserentleerungsventil 13 auf.
Der Wasserstoffbehälter 4 weist ebenfalls eine Isolation 25 (für Flüssigwasserstoffbetrieb) und ein Füllventil für Wasserstoff 14 auf. Weiterhin ist ein Ventil 16 vorgesehen, welches die Brennstoffzellenanordnung 3 mit dem Wasserstoffspeicher 4 verbindet.
Der Vakuum-Abwassertank 2 ist über Verbindung 19 an das Vakuumsystem 23 angeschlossen.
Das gesamte Modul ist in dem Modulkörper 17 integriert und über Dichtungen und Befestigungen 18 in dem Rumpfausschnitt 156 integriert.
Das Brennstoffzellensystem 3 weist weiterhin eine Ventilation 15 auf.

Claims

Flugzeug mit einem Wasser-Abwassermodul zur Entsorgung von Fäkalien und Abwässern, zur Bereitstellung von Frischwasser und zur Bereitstellung von einem Vakuum zum Transport von Fäkalien in dem Flugzeug, das Modul umfassend: einen ersten Tank (2); einen zweiten Tank (1); wobei der erste Tank ein vakuumfester Druckbehälter zum Transport von Fäkalien oder Abwässern ist; wobei der zweite Tank ein drucklos betriebener Lagerbehälter ist; wobei der zweite Tank unterhalb des ersten Tanks angeordnet ist und mit dem ersten Tank zum Ablassen eines Inhalts des ersten Tanks in den zweiten Tank verbunden ist; wobei das Modul selbsttragend ist; und wobei das Modul zum Einsetzen von unten oder seitlich in den Rumpf des Flugzeuges ausgebildet ist; wobei das Modul eine mit einer Rumpföffnung korrespondierende Kontur aufweist, in die das Modul so einpassbar ist, dass das Modul das Innere des Flugzeugrumpfes nach außen abdichtet.
Flugzeug nach Anspruch 1, das Wasser-Abwassermodul weiterhin umfassend: eine Rohrleitung zur Verbindung des ersten Tanks (2) mit dem zweiten Tank (1); und ein zwischengeschaltetes Ventil (9) zum Öffnen der Verbindung; wobei das Modul in einem drucklosen Bereich des Flugzeugs angeordnet ist.
Flugzeug nach Anspruch 2, das Wasser-Abwassermodul weiterhin umfassend: einen Druckzylinder, der zum Öffnen des Ventils (9) an einer ersten Seite des Druckzylinders mit Kabinendruck und an einer zweiten Seite des Druckzylinders mit Umgebungsdruck beaufschlagt ist; wobei die Beaufschlagung der ersten und zweiten Seiten des Druckzylinders so gestaltet ist, dass der Druckzylinder bei einem Absinken des Umgebungsdrucks unterhalb des Kabinendrucks das Ventil (9) öffnet.
Flugzeug nach Anspruch 1, das Wasser-Abwassermodul weiterhin umfassend: eine Rohrleitung zur Verbindung des ersten Tanks (2) mit dem zweiten Tank (1); und eine zwischengeschaltete Pumpe (104) zum Umpumpen des Inhalts des ersten Tanks (2) in den zweiten Tank (1); wobei das Modul in einem druckbeaufschlagten Bereich des Flugzeugs angeordnet ist.
Flugzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wasser-Abwassermodul einen integrierten Frischwasser-Puffertank (5) zur Bereitstellung von Frischwasser aufweist.
Flugzeug nach Anspruch 5, das Wasser-Abwassermodul weiterhin umfassend: ein Brennstoffzellenmodul mit zumindest einer Brennstoffzelle (3) zur Erzeugung von Wasser, Sauerstoff und elektrischer Energie; wobei das Brennstoffzellenmodul mit dem integrierten Frischwasser-Puffertank (5) verbunden ist, um dem integrierten Frischwasser-Puffertank (5) das erzeugte Wasser zuzuführen.
Flugzeug nach Anspruch 6, wobei das Brennstoffzellenmodul mit einem Passagierbereich verbunden ist, um Fluggästen den erzeugten Sauerstoff zuzuführen.
Flugzeug nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Brennstoffzellenmodul eine thermische Anbindung zur Beheizung einer wasserführenden Komponente des Wasser-Abwassermoduls mit einer Abwärme des Brennstoffzellenmoduls aufweist.
Flugzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Wasser-Abwassermodul ein thermisches Managementsystem (121) aufweist, welches eine Abwärme des Brennstoffzellenmoduls zur Beheizung einer wasserführenden Komponente des Wasser-Abwassermoduls weiterleitet und steuert.
Flugzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das Wasser-Abwassermodul weiterhin umfassend: einen Wasserstoffspeicher (4) zum Speichern von Wasserstoff; wobei der Wasserstoffspeicher (4) ein integraler Bestandteil des Moduls ist.
Flugzeug nach Anspruch 10, wobei der Wasserstoffspeicher (4) ein Drucktank ist.
Flugzeug nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Wasserstoffspeicher (4) ein Metallhydridspeicher ist.
Flugzeug nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Wasserstoffspeicher (4) ein Kryotank für flüssigen Wasserstoff ist.