DE102011014565A1

DE102011014565A1 - Klimaanlagensystem für ein Luftfahrzeug

Info

Publication number: DE102011014565A1
Application number: DE102011014565A
Authority: DE
Inventors: Ralf-Henning Stolte
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2011-03-21
Filing date: 2011-03-21
Publication date: 2012-09-27
Anticipated expiration: 2031-03-22
Also published as: US20120240599A1; DE102011014565B4

Abstract

Ein kryogenes Fluid aus einem kryogenen Tank 16, 22 wird als Kühlmittel für ein Klimaanlagensystem 14 eines Luftfahrzeugs 10 verwendet.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft das Gebiet der Luftaufbereitung in Luftfahrzeugen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Klimaanlagensystem für ein Luftfahrzeug, ein Luftfahrzeug, ein Verfahren zum Betreiben eines Klimaanlagensystems und eine Verwendung eines kryogenen Fluids als Kühlmittel.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
So gut wie jedes Luftfahrzeug und insbesondere Passagierflugzeuge weisen ein Klimaanlagensystem auf, das einen Kabinenraum des Luftfahrzeugs, in dem sich beispielsweise Passagiere oder das Personal des Luftfahrzeugs aufhalten kann, mit aufbereiteter Luft versorgen kann. Diese Luft muss beispielsweise den richtigen Sauerstoffgehalt aufweisen, sollte aber auch so temperiert sein und eine Luftfeuchtigkeit aufweisen, wie es für die Passagiere und das Personal angenehm ist.
Eine wesentliche Funktion eines Klimaanlagensystems ist daher auch die Kühlung von Luft. Eine Möglichkeit Luft zu kühlen, besteht darin, Druckluft zu erzeugen und mit Außenluft, die über eine Staudüse in das Luftfahrzeug gelangt zu kühlen, und dann die Druckluft zu entspannen, die sich dabei weiter abkühlt. Dazu wird die Druckluft während des Fluges beispielsweise einer Turbine des Luftfahrzeugs entnommen. Um auch während des Bodenbetriebs die gekühlte Luft weiter bereitstellen zu können, weisen daher viele Luftfahrzeuge Hilfstriebwerke auf, die während des Bodenbetriebs Druckluft erzeugen, die dem Kühlsystem zugeführt werden kann.
Heutzutage ist man dazu übergegangen, die meisten Systeme im Luftfahrzeug elektrisch zu betreiben. Dazu kann ein Luftfahrzeug eine Brennstoffzell aufweisen, die durch das Verbrennen von Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie erzeugt. Der Wasserstoff für die Brennstoffzelle kann dabei aus einem kryogenen Tank stammen, in dem beispielsweise 50 bis 60 kg Wasserstoff in flüssiger Form gespeichert sind.
Wenn auch das Hilfstriebwerk, mit dem unter anderem die Druckluft für das Kühlsystem erzeugt wird, mittels eines elektrischen Motors angetrieben wird, der im Bodenbetrieb von der Brennstoffzelle mit elektrischer Energie versorgt wird, müssen von der Brennstoffzelle etwa 250 kW elektrische Energie zum Betreiben der Klimaanlage am Boden bereitgestellt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In diesem Fall muss die Brennstoffzelle derart ausgelegt werden, dass sie auch im Bodenbetrieb die elektrische Energie liefern kann, die zum Betreiben des Klimaanlagensystems notwendig ist. Im Flugbetrieb hingegen kann die Kühlung der Luft jedoch weiterhin mit Zapfluft aus den Triebwerken durchgeführt werden, wodurch während des Fluges wesentlich weniger elektrische Energie durch die Brennstoffzelle bereitgestellt werden muss. Damit ist das elektrische System des Luftfahrzeugs größer ausgelegt, als es im Flugbetrieb eigentlich nötig wäre. Auch kann die Umwandlung von Wasserstoff in elektrische Energie und die anschließende Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie ineffizient sein.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Klimaanlagensystem für ein Luftfahrzeug bereitzustellen, das leicht und energiesparend ist.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Klimaanlagensystem für ein Luftfahrzeug. Ein Luftfahrzeug kann dabei ein Flugzeug und insbesondere ein Passagierflugzeug sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Klimaanlagensystem ein Kühlsystem zum Erzeugen von gekühlter Luft für einen Kabinenraum des Luftfahrzeugs, einen kryrogenen Tank zum Speichern eines kryogenen Fluids, wobei das Kühlsystem dazu ausgeführt ist, Luft durch Erwärmen des kryogenen Fluids zu kühlen.
Unter einem Kabinenraum kann dabei jeder Raum innerhalb des Luftfahrzeugs verstanden werden, in dem sich während des Boden- oder Luftbetriebs Personen oder Tiere aufhalten können. Beispielsweise kann der Kabinenraum das Cockpit, die Passagierkabine aber auch Aufenthaltsräume für das Personal oder auch ein Bereich des Frachtraums, in dem Tiere transportiert werden, oder in dem sich während des Flugs Personen aufhalten können, sein.
Ein kryogener Tank kann jedes Behältnis sein, das dazu ausgeführt ist, ein kryogenes Fluid zu speichern. Mit anderen Worten kann ein kryogener Tank ein Behälter sein, der gegenüber seiner Umgebung derart isoliert ist, dass sich das kryogene Fluid in seinem Inneren über einen längeren Zeitraum (beispielsweise Stunden oder Tage) nicht wesentlich erwärmt.
Ein kryogenes Fluid kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein, das im Verhältnis zur Raumtemperatur sehr kalt ist, beispielsweise kälter als –100°C. Zu nennen wären dabei flüssiger Wasserstoff, mit einer Temperatur mit weniger als etwa –253°C, flüssiger Stickstoff mit einer Temperatur von weniger als etwa –195°C oder aber auch flüssiger Sauerstoff mit einer Temperatur von weniger als etwa –183°C.
Dadurch, dass die Luft im Bodenbetrieb nicht nur über das Hilfstriebwerk, sondern beispielsweise auch zusätzlich oder komplett mit Hilfe des kryogenen Fluids gekühlt wird, was beispielsweise über Wärmetauscher oder auch durch direktes Injizieren des kryogenen Fluids in die Luft erfolgen kann, ist es möglich, das Energieversorgungssystem des Luftfahrzeugs kleiner zu dimensionieren, da es während des Bodenbetriebs nicht mehr so viel Energie liefern muss, da die Energie zum Kühlen der Luft (zumindest teilweise) dem kryogenen Tank entnommen wird. In diesem Fall muss die elektrische Energieversorgung des Luftfahrzeugs nur noch beispielsweise etwa 100 kW elektrische Energie bereitstellen, mit der die anderen elektrischen Systeme des Luftfahrzeugs versorgt werden. Auf diese Weise ist eine Gewichtsreduzierung dieser Komponenten des Luftfahrzeugs möglich.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der kryogene Tank dazu ausgeführt, kryogenen Wasserstoff als kryogenes Fluid zu speichern. Ein derartiger kryogener Tank ist in der Regel bereits in einem Luftfahrzeug vorhanden, wenn eine Brennstoffzelle zum Erzeugen von elektrischer Energie aus Wasserstoff verwendet wird. Da die Brennstoffzelle normalerweis nicht kryogenen Wasserstoff, sondern Wasserstoffgas als Brennstoff benötigt, wird der kryogene Wasserstoff im kryogenen Tank bis zum Sieden erhitzt, was zu einem Überdruck im kryogenen Tank führt, der gasförmigen Wasserstoff in Richtung der Brennstoffzelle befördert. Mit anderen Worten kann es notwendig sein, dem kryogenen Tank bzw. dem darin befindlichen kryogenen Fluid Wärme zuzuführen, um dem kryogenen Tank kryogenes Fluid, in diesem Fall Wasserstoff, zu entnehmen. Diese Wärme kann dadurch bereitgestellt werden, dass Wärme aus Luft entnommen wird oder umgekehrt die Kühlung von Luft durch Erwärmung des kryogenen Fluids erfolgt. Auf diese Weise wird die zum Erwärmen des kryogenen Fluids benötigte Wärmeenergie nicht durch Heizen mit beispielsweise einem elektrischen Heizelement erzeugt, sondern wird der Luft entnommen, die für das Klimaanlagensystem sowieso gekühlt werden muss. Damit kann der Energieverbrauch des Luftfahrzeugs gesenkt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Klimaanlagensystem weiter ein Wärmetauschersystem zum Transport von Wärme aus der Luft im Kühlsystem in das kryogene Fluid. Dieses Wärmetauschersystem kann einen Wärmetauscher im Inneren des kryogenen Tanks umfassen, der über ein Leitungssystem, das von einem Kühlmittel durchströmt wird, mit weiteren Wärmetauschern verbunden ist, die mit der zu kühlenden Luft in Kontakt stehen. Da sich der kryogene Tank beispielsweise im Heckbereich des Luftfahrzeugs befinden kann und die Wärmetauscher zum Kühlen der Luft an anderen Punkten im Luftfahrzeug angeordnet sein können, kann das Leitungssystem wärmeisolierte Leitungen umfassen, die sich durch Teile des Luftfahrzeugs erstrecken.
Normalerweise umfasst ein Luftfahrzeug mit Klimaanlagensystem einen Mischer, dem einerseits Außenluft, die durch ein Entspannungskühlsystem gekühlt sein kann, zugeführt wird, und andererseits auch rezirkulierte Kabinenluft, die aus einem Kabinenraum des Luftfahrzeugs stammt. Mit dem Mischer werden dabei die Außenluft, Heißluft und die rezirkulierte Kabinenluft gemischt und wieder der Kabine zugeführt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die Brennstoffzelle auch dazu ausgeführt sein, Wärme für das Klimaanlagensystem aus dem kryogenen Wasserstoff zu erzeugen. Beispielsweise kann die Abwärme der Brennstoffzelle, die beim Betrieb der Brennstoffzelle entsteht, dazu verwendet werden, Wasser oder Luft im Luftfahrzeug zu erwärmen, wie etwa die Heißluft für den Mischer.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Klimaanlagensystem weiter einen Mischer zum Mischen von Außenluft und rezirkulierter Kabinenluft, wobei das Wärmetauschersystem dazu ausgeführt ist, die Außenluft und/oder die rezirkulierte Luft zu kühlen. Dabei kann ein Wärmetauscher in der Zuleitung von Außenluft zum Mischer angeordnet sein, der mit dem Wärmetauscher im kryogenen Tank verbunden ist. Auch ist es möglich, dass ein Wärmetauscher in der Leitung vom Mischer zum Kabinenraum, durch die rezirkulierte Kabinenluft in die Kabine geleitet werden kann, angeordnet ist, der auch mit dem Wärmetauscher im kryogenen Tank verbunden sein kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Klimaanlagensystem ein Wärmetauschersystem, das dazu ausgeführt ist, Außenluft und/oder rezirkulierte Luft, beispielsweise die, die von dem oben genannten Mischer gemischt werden, mittels Wärme aus der Brennstoffzelle zu erwärmen. Dazu kann bei oder in der Brennstoffzelle ein erster Wärmetauscher installiert sein und vor oder hinter dem Mischer ein weiterer Wärmetauscher, der über ein Leitungssystem, das von einem Kühlmittel bzw. Wärmetransportmittel durchströmt wird, mit dem ersten Wärmetauscher verbunden ist.
Darüber hinaus ist es auch möglich, dass das Wärmetauschersystem nicht nur dazu benutzt wird, Luft zu kühlen, sondern auch weitere Elemente des Luftfahrzeugs, die eine Kühlung benötigen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Klimaanlagensystem bzw. das Luftfahrzeug ein Wärmetauschersystem zum Transport von Wärme aus einem Küchenelement in das kryogene Fluid. Beispielsweise umfasst das Küchenelement einen Wärmetauscher, der über ein oder das Leitungssystem, das ein Kühlmittel enthält, mit dem Wärmetauscher im kryogenen Tank verbunden ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Kühlsystem dazu ausgeführt, verdichtete Außenluft durch Entspannen zu kühlen, wobei es möglich ist, dass die Außenluft durch einen Kompressor verdichtet wird, der von einer Brennstoffzelle mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Auf diese Weise kann ein Teil der Energie zum Kühlen der Luft durch Erwärmen des kryogenen Fluids gewonnen werden und ein anderer Teil damit, dass das erwärmte kryogene Fluid in der Brennstoffzelle verbrannt wird. Dieses System kann dabei so optimiert werden, dass genauso viel kryogenes Fluid in der Brennstoffzelle verbrannt wird, wie durch Erwärmen des kryogenen Fluids im Tank und der damit verbundenen Druckerhöhung der Brennstoffzelle zugeführt wird.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Kompressor von einem Triebwerksgenerator mit elektrischer Energie versorgt werden und/oder auch durch Triebwerkszapfluft angetrieben werden.
Das erwärmte kryogene Fluid muss nicht notwendigerweise einer Brennstoffzelle zugeführt werden, sondern kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auch an die Außenluft des Luftfahrzeugs abgelassen werden oder dort auch abgefackelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Klimaanlagensystem dazu ausgeführt, durch das Kühlsystem erwärmtes kryogenes Fluid in einem Metallhydridspeicher zu speichern. Beispielsweise kann auf diese Weise erreicht werden, dass an einem normalen Standardtag die Bilanz zwischen Strom- und Kälteerzeugung ohne ein Ablassen von Wasserstoff erreicht werden kann.
An sehr heißen Tagen kann bei einem Klimasystem ohne Metallhydridspeicher, bei dem Wasserstoff, der nicht in der Brennstoffzelle verbraucht wird, sondern an die Umgebung des Luftfahrzeugs abgeblasen wird, der Fall eintreten, dass zum Erzeugen der benötigten Kühlenergie mehr Wasserstoff abgeblasen wird als zur Verstromung benötigt wird. In diesem Fall kann bei einem Klimasystem mit Metallhydridspeicher der Wasserstoff, der nicht zur Verstromung benötigt wird, in einem Metallhydridspeicher zwischengespeichert werden, um dann später wieder der Brennstoffzelle zugeführt zu werden.
Darüber hinaus hat ein Metallhydridspeicher die Eigenschaft, dass er sich beim Beladen erwärmt und beim Entladen abkühlt. Die beim Beladen entstehende Wärme kann dazu benutzt werden, um beispielsweise Luft oder Wasser im Flugzeug zu erwärmen. Die Wärme kann aber auch dazu genutzt werden, eine Flügelkantenenteisung eines Flugzeugs als Luftfahrzeug durchzuführen. Zu diesem Zwecke könnten die Metallhydridspeicher in der Vorderseite der Flügel angeordnet sein.
Umgekehrt könnte die beim Entladen des Metallhydridspeichers entstehende Kälte dazu verwendet werden, Luft und Wasser innerhalb des Luftfahrzeugs zu kühlen.
Das erwärmte kryogene Fluid kann gegenüber der Umgebungstemperatur immer noch relativ kalt sein. Beispielsweise kann gasförmiger Wasserstoff eine Temperatur von –200°C oder auch gasförmiger Stickstoff eine Temperatur von –150°C aufweisen. Das erwärmte kryogene Fluid kann somit auch zum Kühlen verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Kühlsystem einen Wärmetauscher, der dazu ausgeführt ist, verdichtete Außenluft mittels Stauluft zu kühlen, wobei das Kühlsystem dazu ausgeführt ist, die Stauluft mit dem kryogenen Fluid zu kühlen. Beispielsweise können ein Gemisch aus kryogenem Fluid und Stauluft in einem Wärmetauscher an zu kühlender Luft vorbeigeleitet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Klimaanlagensystem weiter einen Stauluftkanal, der dazu ausgeführt ist, das kryogene Fluid in die Stauluft zu injizieren. Beispielsweise kann im Stauluftkanal eine Düse angebracht sein, mit der das kryogene Fluid in die Stauluft geblasen wird. Das Gemisch aus kryogenem Fluid und Stauluft kann dazu verwendet werden, die verdichtete Außenluft zu kühlen.
Wie bereits gesagt, ist es auch möglich, dass der kryogene Tank kein kryogener Wasserstofftank ist, sondern ein anderer kryogener Tank, der ein anderes kryogenes Fluid enthält.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der kryogene Tank dazu ausgeführt, kryogenen Stickstoff, der zusätzlich als Inertgas verwendet wird, zu speichern. Bei vielen Luftfahrzeugen ist ein derartiger kryogener Tank bereits vorhanden, der dazu verwendet wird, eine inerte Atmosphäre an bestimmten Bereichen des Luftfahrzeugs zu erzeugen. Beispielsweise kann Stickstoff dazu verwendet werden, ein Entflammen des Kerosins in den Tanks zu reduzieren.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug mit einem Klimaanlagensystem, so wie es vorstehend und im Nachfolgenden beschrieben ist. Ein derartiges Luftfahrzeug kann auch mit einer pneumatischen Klimaanlage, das heißt einer Klimaanlage, die über Druckluft betrieben wird, ausgestattet sein, was es ermöglicht, ein Klimaanlagensystem, so wie es im Vorstehenden und im Nachstehenden beschrieben ist, bei bestehenden Flugzeugen nachzurüsten. Da mit dem erfindungsgemäßen Klimaanlagensystem nur wenig zusätzliche Komponenten in das Luftfahrzeug eingebaut werden müssen, ergibt sich eine vergleichbare Komplexität zu einem herkömmlichen Luftfahrzeug.
Auch weitere Anforderungen an das Klimaanlagensystem können verbessert werden. Bei einer hohen Außenluftfeuchtigkeit, wie sie etwa beim Bodenbetrieb in einer tropischen Umgebung gegeben ist, kann es notwendig sein, dass auch die Feuchtigkeit aus der Luft entfernt werden muss, was zusätzliche Energie kostet. Durch die zusätzliche Kühlung durch das kryogene Fluid kann die Klimaanlage und deren Energieversorgung nun so ausgelegt werden, dass auch diese Aufgabe, die in der Regel nur am Boden notwendig ist, bewältigt werden kann. Beispielsweise kann durch eine entsprechend starke Erwärmung des kryogenen Fluids auch erreicht werden, dass bei einer hohen Außentemperatur von beispielsweise 45°C und einer hohen Luftfeuchtigkeit immer noch angenehm temperierte und befeuchtete Luft in den Kabinenraum geleitet wird.
Insgesamt ist es auch möglich, dass die konventionellen Komponenten des Klimaanlagensystems nur für den Flugbetrieb ausgelegt sind. Das heißt, dass die Kühlung der Außenluft während des Flugbetriebs durch konventionelle Komponenten, wie etwa eine Kühleinheit, bei der die Kühlung von verdichteter Außenluft über Stauluft von außen erfolgt, durchgeführt wird und im Bodenbetrieb eine zusätzliche Kühlung mit Hilfe von kryogenem Fluid erfolgt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Klimaanlagensystems eines Luftfahrzeugs.
Dabei ist zu verstehen, dass Merkmale des Klimaanlagensystems und des Luftfahrzeugs, so wie sie obenstehend und im Folgenden beschrieben sind, auch Merkmale des Verfahrens sein können, und umgekehrt, dass das Klimaanlagensystem bzw. das Luftfahrzeugsystem dazu ausgeführt sein kann, Verfahrensschritte bzw. Merkmale des Verfahrens auszuführen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt von Betanken des Luftfahrzeugs mit einem kryogenen Fluid. Beispielsweise kann das Betanken mit dem kryogenen Fluid gleichzeitig mit dem Betanken mit konventionellem Treibstoff, wie beispielsweise Kerosin, erfolgen. In diesem Schritt befindet sich das Luftfahrzeug in der Regel am Boden und der kryogene Tank wird mit dem kryogenen Fluid aufgefüllt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt von Kühlen von Luft für einen Kabinenraum des Luftfahrzeugs mit dem kryogenen Fluid. Wie bereits gesagt, kann dieses Kühlen dabei lediglich während des Bodenbetriebs erfolgen. Es ist aber auch möglich, dass das Kühlen mit dem kryogenen Fluid auch während des Flugbetriebs vorgenommen wird. Das Kühlen kann dabei direkt über das Injizieren von kryogenem Fluid in die zu kühlende Luft, aber auch indirekt über ein Wärmetauschersystem erfolgen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines kryogenen Fluids aus einem kryogenen Tank als Kühlmittel für das Klimaanlagensystem eines Luftfahrzeugs. Ein kryogenes Fluid kann dahingehend von einem herkömmlichen Kühlmittel aus einem Kühlkreislauf unterschieden werden, dass das kryogene Fluid wesentlich tiefere Temperaturen als ein herkömmliche Kühlmittel aufweist, beispielsweise eine Temperatur von weniger als –100°C oder –150°C, bzw. die weiter oben genannten Temperaturen für flüssige kryogene Fluide.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt ein Luftfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch von oben.
2 zeigt ein schematisches Diagramm eines Klimaanlagensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben eines Klimaanlagensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Die in den Figuren verwendeten Bezugszeichen und ihre Bedeutung sind in zusammenfassender Form in der Liste der Bezugszeichen aufgeführt. Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
DETAILIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
1 zeigt ein Luftfahrzeug 10, beispielsweise ein Passagierflugzeug 10, mit einer Kabine 12, in der sich Flugpassagiere aufhalten können. Das Flugzeug 10 umfasst eine Klimaanlage 14, die zum Erzeugen eines angenehmen Klimas innerhalb der Kabine 12 ausgelegt ist. Darüber hinaus weist das Luftfahrzeug 10 einen kryogenen Wasserstofftank 16 in einem Heckabschnitt des Luftfahrzeugs 10 auf, in dem kryogener Wasserstoff gespeichert werden kann. Der kryogene Wasserstoff kann dazu verwendet werden, eine Brennstoffzelle 18 mit Brennstoff zu versorgen. Der kryogene Wasserstoff im Tank 16 kann darüber hinaus dazu verwendet werden, Luft und Wasser im Klimaanlagensystem 14 zu kühlen.
Im Betrieb erzeugt die Brennstoffzelle 18 Wärme, die zusätzlich dazu verwendet werden kann, Luft und Wasser für das Klimaanlagensystem 14 zu wärmen.
Auch kann das Luftfahrzeug 10 einen kryogenen Stickstofftank 22 umfassen, der mit kryogenem Stickstoff auffüllbar ist, der als Inertgas im Luftfahrzeug 10 verwendet werden kann. Der kryogene Stickstoff aus dem Tank 22 kann darüber hinaus analog dem kryogenen Wasserstoff aus dem Tank 16 zum Kühlen von Luft und Wasser für die Klimaanlage 14 verwendet werden.
In der 1 ist außerdem ein Küchenelement 20 bzw. Galley 20 dargestellt, das Kühlelemente, wie beispielsweise einen Kühlschrank, umfassen kann, der auch mittels des kryogenen Fluids aus einem der Tanks 16, 22 gekühlt werden kann.
Die 2 zeigt weitere Details des Klimaanlagensystem 14 aus der 1 schematisch, insbesondere des Wärme- und Kühlsystems 15 des Klimaanlagensystems 14.
Das Kühlsystem 15 umfasst ein Entspannungskühlsystem 33, das dazu ausgeführt ist, Außenluft abzukühlen, die dann letztendlich der Kabine 12 des Luftfahrzeugs 10 zugeführt werden kann. Das Entspannungskühlsystem 33 arbeitet mit komprimierter Luft, die im Flugbetrieb einem Triebwerk 24 des Luftfahrzeugs 10 als Zapfluft 32 entnommen werden kann oder im Bodenbetrieb mittels eines Kompressors 34 erzeugt werden kann, der beispielsweise mit einem Elektromotor oder auch mit einem Verbrennungsmotor angetrieben wird. Die aus dem Triebwerk 24 oder dem Kompressor 30 stammende Luft wird mit einem Kompressor 34 weiter verdichtet, der über eine Turbine 36 angetrieben wird. Die im Kompressor 34 verdichtete Luft wird mittels eines Wärmetauschers 38 gekühlt und dann in der Turbine 36 entspannt, wobei mechanische Energie entsteht, mit der der Kompressor 34 angetrieben werden kann.
Im Wärmetauscher 38 wird die verdichtete Luft aus dem Kompressor 34 mittels Außenluft gekühlt, die über ein Staurohr 40 in den Wärmetauscher 38 eingeführt wird. Im Flugbetrieb erfolgt dies einfach über den Staudruck der Luft, die in das Staurohr 40 gelangt, im Bodenbetrieb kann es nötig sein, dass die Außenluft mittels eines Ventilators 42 durch den Wärmetauscher 38 geblasen wird. Die im Wärmetauscher 38 erwärmte Luft verlässt das Luftfahrzeug 10 wieder über einen Ablass 44.
Die abgekühlte Luft aus der Turbine 36 wird dann einem Mischer 50 zugeführt, in dem gekühlte Luft aus der Turbine 36, rezirkulierte Luft 58, die über einen Ventilator 60 aus der Kabine 12 gesaugt werden kann, und Heißluft 52 derart gemischt werden, dass eine Mischluft 56 entsteht, die die für den Kabinenraum 12 gewünschte Temperatur aufweist.
Im kryogenen Wasserstofftank 16 befindet sich ein Wärmetauscher 48, der über ein Leitungssystemn 63, in dem ein Kühl- bzw. Wärmemittel zirkuliert, mit einem Wärmetauscher 46, der sich zwischen dem Entspannungskühlsystem 33 und dem Mischer 50 befindet, und dazu ausgeführt ist, die Außenluft aus dem Entspannungskühlsystem 33 weiter zu kühlen, und einen Wärmetauscher 62, der dazu ausgeführt ist, die rezirkulierte Luft 58 aus der Kabine 12 zu kühlen, verbunden ist.
Das Leitungssystem 63 kann auch mit einem weiteren Wärmetauscher 66 verbunden sein, der dazu ausgeführt ist, ein Kühlelement des Küchenelements 20 zu kühlen. Das Leitungssystem 63 kann eine nicht dargestellte Pumpe und Ventile 64 aufweisen, mit denen der Zufluss des Kältemittels zu den verschiedenen Wärmetauschern 46, 62, 66 gesteuert werden kann.
Der kryogene Wasserstoff im Tank 16 kann nun dazu verwendet werden, das Kühlmittel im Wärmetauscher 48 abzukühlen, das dann in einem oder beiden der Wärmetauscher 46, 62 dann die entsprechende Luft abkühlt und sich dabei gleichzeitig erwärmt, um dann wieder zum Wärmetauscher 48 im Tank 16 zurückgeführt zu werden. Auf diese Weise erwärmt sich auch der kryogene Wasserstoff im Tank 16 und geht dabei teilweise von der flüssigen in die gasförmige Phase über, was zu einem Druckanstieg im Tank 16 führt.
Der gasförmige Wasserstoff, der durch den Druckanstieg im Tank 16 in ein Leitungssystem 67 für Wasserstoff befördert wird, kann dann der Brennstoffzelle 18 zugeführt werden, die dann aus dem Wasserstoff als Brennstoff elektrischen Strom erzeugt, der in ein elektrisches Versorgungssystem 72 eingespeist wird. Die elektrische Energie, die von der Brennstoffzelle 18 erzeugt wird, kann über das elektrische Versorgungssystem 72 den Kompressor 30 und anderen elektrischen Geräten, wie etwa den Ventilatoren 42 und 60, zugeführt werden.
Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass der Wasserstoff aus dem Tank 16 entweder in flüssiger oder gasförmiger Form über das Leitungssystem 67 einem Injektor 68 zugeführt wird, der im Staurohr 40 des Entspannungskühlsystems angeordnet ist. Auf diese Weise kann der noch relativ kalte Wasserstoff aus dem Tank 16 dazu verwendet werden, die durch das Staurohr 40 eingesaugte Außenluft weiter abzukühlen, so dass der Wasserstoff aus dem Tank 16 auch dazu verwendet werden kann, im Wärmetauscher 38 die Außenluft aus dem Staurohr 40 zu kühlen.
Alternativ dazu ist es auch möglich, den Wasserstoff aus der Leitung 67 direkt an die Umgebung des Flugzeugs abzugeben, beispielsweise über einen Ablass 70, der im Ablass 44 für die Stauluft angeordnet sein kann.
Eine weitere Möglichkeit ist es, den Wasserstoff aus dem Tank 16 einem Metallhydridspeicher 74 zum Zwischenspeichern zuzuführen. Überschüssiger Wasserstoff, der durch Erwärmen des kryogenen Wasserstoffs 16 in das Leitungssystem 67 gedrückt wird, kann dabei im Metallhydridspeicher 74 zwischengespeichert werden, um zu einem Zeitpunkt, an dem mehr elektrische Energie benötigt wird, so dass mehr Wasserstoff verbraucht wird, als zum Erwärmen im Tank 16 erzeugt wird, benötigt wird. In diesem Fall kann Wasserstoff aus dem Metallhydridspeicher 74 wieder in das Leitungssystem 67 eingeleitet werden.
Wie weiter oben bereits ausgeführt, kann die beim Beladen des Metallhydridspeichers 74 erzeugte Wärme und auch die beim Entladen des Metallhydridspeichers 74 erzeugte Kälte dazu verwendet werden, Luft im Klimaanlagensystem 14 zu wärmen bzw. zu kühlen. Beispielsweise kann der Metallhydridspeicher einen Wärmetauscher umfassen, der mit dem Leitungssystem 63 und/oder mit dem Wärmetauscher 78 verbunden ist. Um den Zufluss bzw. Abfluss des Wasserstoffs aus dem Tank 16 zum Metallhydridspeicher 74 und den beiden Ablässen 68, 70 zu steuern, weist das Leistungssystem 67 Ventile 73 auf, die entsprechend angesteuert werden können.
Auch die von der Brennstoffzelle 18 im Betrieb erzeugte Wärme kann zum Wärmen von Luft des Wärme- und Kühlsystems 15 verwendet werden. Dazu kann die Brennstoffzelle 18 beispielsweise einen Wärmetauscher 76 aufweisen, der mit einem weiteren Wärmetauscher 78 verbunden ist, mit dem Luft 52, die dem Mischer 50 zugeführt wird, erwärmt werden kann.
Die Kühlung von Luft mit dem Kühlsystem 14 mit Hilfe von kryogenem Stickstoff aus dem kryogenen Stickstofftank 22 kann genauso erfolgen wie mit kryogenem Wasserstoff aus dem Tank 16, wobei in der 2 lediglich der Tank 16 durch den Tank 22 ersetzt ist und der flüssige Stickstoff nicht dazu verwendet werden kann, der Brennstoffzelle 18 oder dem Metallhydridspeicher 74 zugeführt zu werden.
3 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben des Klimaanlagensystems 14.
In einem Schritt S10 wird das Luftfahrzeug 10 betankt. In diesem Schritt werden der kryogene Wasserstofftank 16, der kryogene Stickstofftank 22 und auch weitere nicht dargestellte Tanks für herkömmlichen Brennstoff aufgefüllt. Normalerweise befindet sich das Luftfahrzeug 10 dazu am Boden.
In einem Schritt S12 wird der Bodenbetrieb des Kühlsystems 14 durchgeführt. Dazu wird Wasserstoff aus dem Tank 16 in der Brennstoffzelle 18 verbrannt und dabei elektrische Energie erzeugt, die von den verschiedenen Bordsystemen verwendet wird, aber auch dazu, den Kompressor 30 anzutreiben, der Druckluft für das Entspannungskühlsystem 33 erzeugt. Gleichzeitig wird die durch das Entspannungskühlsystem 33 bereits etwas abgekühlte Luft weiter mittels des Wärmetauschers 46 abgekühlt, in dem kryogener Wasserstoff im Tank 16 erwärmt wird. Auf diese Weise wird auch (oder zumindest ein Teil) des Druckes im Tank 16 erzeugt, der dazu benötigt wird, die Brennstoffzelle 18 mit Wasserstoff zu versorgen.
Optional dazu können auch die rezirkulierte Luft 58 aus der Kabine 12 über den Wärmetauscher 62 und auch Kühlelemente des Galleys 20 mittels des kryogenen Wasserstoffs gekühlt werden. Wie bereits gesagt, kann alternativ dazu die Kühlung auch über kryogenen Stickstoff erfolgen.
Zusätzlich ist es auch möglich, kalten Wasserstoff über die Düse 68 in den Wärmetauscher 38 zu injizieren, um dort eine weitere Kühlung der komprimierten Luft aus dem Kompressor 34 zu erzeugen.
In einem Schritt S14 erfolgt der Start des Luftfahrzeugs 10.
In einem Schritt S18 wird der Klimaanlagenbetrieb des Klimaanlagensystems 14 von Bodenbetrieb auf Luftbetrieb umgestellt. Die Umstellung von dem Luftbetrieb auf Bodenbetrieb kann auch bereits vor dem Start erfolgen. Im Luftbetrieb ist in der Regel eine wesentlich geringere Kühlung der Außenluft notwendig, da diese normalerweise wesentlich kälter ist als am Boden. Daher ist es möglich, dass die Kühlung der Außenluft nur noch über das Entspannungskühlsystem 33 erfolgt und nicht mehr mittels des kryogenen Wasserstoffs aus dem Tank 16.
Beispielsweise könnte im Schritt S18 auch der im Metallhydridspeicher 74 gespeicherte Wasserstoff wieder in das Leitungssystem 67 zurückgeführt werden, um in der Brennstoffzelle 18 zum Erzeugen von elektrischer Energie verwendet zu werden.
In einem Schritt S18 erfolgt die Landung des Luftfahrzeugs 10. Kurz vor dem Schritt S18 oder danach kann dann wieder der Bodenbetrieb des Klimaanlagensystems 14 aufgenommen werden.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezugszeichenliste

10: Luftfahrzeug
12: Kabine
14: Klimaanlagensystem
15: Kühlsystem
16: kryogener Wasserstofftank
18: Brennstoffzelle
20: Galley (Küchenelement)
22: kryogener Stickstofftank
24: Triebwerk
30: Kompressor (Betrieben von Elektromotor oder Verbrennungsmotor)
32: Zapfluft
33: Entspannungskühlsystem
34: Kompressor
36: Turbine
38: Wärmetauscher
40: Staurohr
42: Ventilator
44: Ablass Stauluft
46: Wärmetauscher (optional)
47: Kühlsystem
48: Wärmetauscher
50: Mischer
52: Heißluft
54: gekühlte Frischluft
56: Mischluft
58: rezirkulierter Luft
60: Ventilator
62: Wärmetauscher (optional)
63: Leitungssystem für Kältemittel
64: Ventil
66: Wärmetauscher
67: Leitungssystem für Wasserstoff
68: Injektor
70: Ablass
72: elektrisches Versorgungssystem
73: Ventil
74: Metallhydridspeicher
76: Wärmetauscher
78: Wärmetauscher

Claims

Klimaanlagensystem (14) für ein Luftfahrzeug (10), umfassend: ein Kühlsystem (14) zum Erzeugen von gekühlter Luft für einen Kabinenraum des Luftfahrzeugs, einen kryogenen Tank (16, 22) zum Speichern eines kryogenen Fluids, wobei das Kühlsystem (14) dazu ausgeführt ist, Luft durch Erwärmen des kryogenen Fluids zu kühlen.
Klimaanlagensystem (14) nach Anspruch 1, wobei der kryogene Tank (16) dazu ausgeführt ist, kryogenen Wasserstoff als kryogenes Fluid zu speichern.
Klimaanlagensystem (14) nach Anspruch 2, weiter umfassend: eine Brennstoffzelle (18) zum Erzeugen von elektrischer Energie und/oder Wärme für das Klimaanlagensystem aus dem kryogenen Wasserstoff.
Klimaanlagensystem (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: ein Wärmetauschersystem (46, 48, 62, 63) zum Transport von Wärme aus der Luft im Kühlsystem in das kryogene Fluid.
Klimaanlagensystem (14) nach Anspruch 4, weiter umfassend: einen Mischer (50) zum Mischen von Außenluft und rezirkulierter Kabinenluft, wobei das Wärmetauschersystem dazu ausgeführt ist, die Außenluft und/oder die rezirkulierte Luft zu kühlen.
Klimaanlagensystem (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: ein Wärmetauschersystem (76, 78), das dazu ausgeführt ist, Außenluft und/oder rezirkulierte Luft mittels Wärme aus der Brennstoffzelle zu erwärmen.
Klimaanlagensystem (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlsystem (15) dazu ausgeführt ist, verdichtete Außenluft durch Entspannen zu kühlen, wobei die Außenluft durch einen Kompressor (30) verdichtet wird, der von einer Brennstoffzelle (18) mit elektrischer Energie versorgt wird.
Klimaanlagensystem (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: ein Wärmetauschersystem (48, 63, 66) zum Transport von Wärme aus einem Küchenelement in das kryogene Fluid.
Klimaanlagensystem (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Klimaanlagensystem dazu ausgeführt ist, durch das Kühlsystem erwärmtes kryogenes Fluid an die Außenluft des Luftfahrzeugs abzulassen, abzufackeln und/oder in einem Metallhydridspeicher (74) zu speichern.
Klimaanlagensystem (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlsystem einen Wärmetauscher (38) umfasst, der dazu ausgeführt ist, verdichtete Außenluft mittels Stauluft zu kühlen, wobei das Kühlsystem (15) dazu ausgeführt, ist, die Stauluft mit dem kryogenen Fluid zu kühlen.
Klimaanlagensystem (14) nach Anspruch 10, weiter umfassend: einen Stauluftkanal (40), der dazu ausgeführt ist, das kryogene Fluid in die Stauluft zu injizieren.
Klimaanlagensystem (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der kryogene Tank (22) dazu ausgeführt ist, kryogenen Stickstoff, der zusätzlich als Inertgas verwendet wird, zu speichern.
Luftfahrzeug (10) mit einem Klimaanlagensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Verfahren zum Betreiben eines Klimaanlagensystems (14) eines Luftfahrzeugs, umfassend die Schritte: Betanken des Luftfahrzeugs (10) mit einem kryogenen Fluid, Kühlen von Luft für einen Kabinenraum (12) des Luftfahrzeugs mit dem kryogenen Fluid.
Verwendung eines kryogenen Fluids aus einem kryogenen Tank (16, 22) als Kühlmittel für ein Klimaanlagensystem (14) eines Luftfahrzeugs.