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Die Erfindung betrifft eine Flugzeugklimaanlage und ein Verfahren zum Betreiben einer Flugzeugklimaanlage.
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Eine Flugzeugklimaanlage dient der Einstellung und Aufrechterhaltung eines gewünschten Drucks, einer gewünschten Temperatur und einer gewünschten Luftfeuchtigkeit in einer Flugzeugkabine. Darüber hinaus führt die Flugzeugklimaanlage ausreichend Frischluft in die Flugzeugkabine zu, um sicherzustellen, dass in der Flugzeugkabine ein vorgeschriebener Mindestanteil von Frischluft vorhanden ist. Aus der
EP 2 735 510 A1 bzw. der
US 2014/0144163 A1 ist eine Flugzeugklimaanlage bekannt, bei der eine mit einem zweiphasigen Kältemittel betriebene Kältemaschine dazu genutzt wird, von einem mehrstufigen Kompressor verdichtete Umgebungsluft zu kühlen. Die Kältemaschine umfasst einen Kältemittelkreislauf, in dem ein Kompressor, ein Verflüssiger, ein Expansionsventil und ein von zu kühlender Umgebungsluft durchströmter Verdampfer angeordnet sind. Einem Triebwerk oder einem Hilfstriebwerk des Flugzeugs entnommene Zapfluft wird zum Antreiben des Kompressors der Kältemaschine sowie zum Antreiben des mehrstufigen Kompressors zum Verdichten der Umgebungsluft genutzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flugzeugklimaanlage bereitzustellen, die eine energieeffiziente Klimatisierung einer Flugzeugkabine ermöglicht. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Flugzeugklimaanlage anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch eine Flugzeugklimaanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Flugzeugklimaanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
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Eine Flugzeugklimaanlage umfasst eine von Umgebungsluft durchströmbare Umgebungsluftleitung, die mit einem Mischer der Flugzeugklimaanlage verbunden ist, um dem Mischer einer Flugzeugumgebung entnommene Umgebungsluft zuzuführen. Die Zufuhr von Umgebungsluft in die Umgebungsluftleitung kann durch ein in der Umgebungsluftleitung angeordnetes Ventil gesteuert werden. Bei dem mit der Umgebungsluftleitung in Verbindung stehenden Mischer kann es sich um einen Vormischer oder einen Hauptmischer der Flugzeugklimaanlage handeln, dem neben der Umgebungsluft aus der Umgebungsluftleitung aus einer mittels der Flugzeugklimaanlage zu klimatisierenden Flugzeugkabine über eine Rezirkulationsluftleitung abgeführte Rezirkulationsluft zugeleitet werden kann. In dem Mischer wird die Umgebungsluft aus der Umgebungsluftleitung mit der aus der Flugzeugkabine abgeführten Rezirkulationsluft gemischt. Die in dem Mischer erzeugte Mischluft wird schließlich zur Klimatisierung der Flugzeugkabine verwendet.
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Eine Kabinenabluftleitung ist mit der mittels der Flugzeugklimaanlage zu klimatisierenden Flugzeugkabine verbindbar und - ebenso wie die Rezirkulationsluftleitung - von aus der Flugzeugkabine abgeführter Kabinenabluft durchströmbar. Ferner umfasst die Flugzeugklimaanlage eine Zapfluftleitung, die von Zapfluft durchströmbar ist. Die die Zapfluftleitung durchströmende Zapfluft kann von einem Triebwerk oder einem Hilfstriebwerk eines mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs abgezapft werden. Zur Steuerung der Zapfluftströmung in die Zapfluftleitung kann in der Zapfluftleitung ein entsprechendes Steuerventil angeordnet sein. Die Flugzeugklimaanlage umfasst ferner einen in der Umgebungsluftleitung angeordneten Umgebungsluftkompressor zum Verdichten der die Umgebungsluftleitung durchströmenden Umgebungsluft.
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Eine Kältemaschine der Flugzeugklimaanlage umfasst einen von einem Kältemittel durchströmbaren Kältemittelkreislauf sowie einen in dem Kältemittelkreislauf angeordneten Kältemittelkompressor. Der Kältemittelkreislauf ist vorzugsweise über einen zum Beispiel in Form eines Verdampfers ausgebildeten Wärmetauscher thermisch mit der Umgebungsluftleitung gekoppelt, um vor der Zufuhr der Umgebungsluft in den Mischer Wärme von der die Umgebungsluftleitung durchströmenden Umgebungsluft an das in dem Kältemittelkreislauf zirkulierende Kältemittel zu übertragen. In der Flugzeugklimaanlage findet folglich ein Klimatisationsprozess statt, bei dem die Umgebungsluft zunächst durch den Umgebungsluftkompressor verdichtet und anschließend durch die Übertragung von Wärme an das in dem Kältemittelkreislauf der Kältemaschine zirkulierende Kältemittel auf eine gewünschte Temperatur gekühlt wird. Durch eine entsprechende Vorverdichtung der Umgebungsluft in dem Umgebungsluftkompressor kann die Effizienz dieses Klimatisationsprozesses je nach Bedarf gesteuert werden.
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Die Flugzeugklimaanlage ist ferner mit einer Turbine ausgestattet, die mit dem Umgebungsluftkompressor gekoppelt und dazu eingerichtet ist, den Umgebungsluftkompressor anzutreiben. Eine Steuereinrichtung der Flugzeugklimaanlage ist dazu eingerichtet, den Betrieb der Flugzeugklimaanlage so zu steuern, dass der Turbine in einem ersten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage Umgebungsluft aus der Umgebungsluftleitung und in einem zweiten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage ein Gemisch aus Zapfluft aus der Zapfluftleitung und Kabinenabluft aus der Kabinenabluftleitung zugeführt wird. Im ersten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage wird somit der Druck der vorverdichteten Umgebungsluft zum Antreiben der Turbine genutzt, wodurch ein Teil der durch die Verdichtung der Umgebungsluft eingesetzten Energie zurückgewonnen werden kann.
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Im zweiten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage wird dagegen der Druck der aus einer Flugzeugkabine abgeführten Abluft, welcher im Flugbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs ab einer bestimmten Flughöhe den Umgebungsdruck außerhalb des Flugzeugs überschreitet, zur Energierückgewinnung genutzt. Die aus der vorverdichteten Umgebungsluft bzw. der Kabinenabluft zurück gewonnene Energie wird zum Antreiben des Umgebungsluftkompressors verwendet. Dadurch kann der Zapfluftbedarf der Klimaanlage verringert werden. Das die Zapfluft bereitstellende Triebwerk oder Hilfstriebwerk ist demnach besonders energieeffizient betreibbar.
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Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, den Betrieb der Flugzeugklimaanlage so zu steuern, dass der Turbine im Bodenbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs Umgebungsluft aus der Umgebungsluftleitung und im Flugbetrieb des mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs ein Gemisch aus Zapfluft aus der Zapfluftleitung und Kabinenabluft aus der Kabinenabluftleitung zugeführt wird. Im Bodenbetrieb des mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs wird die Umgebungsluft beim Durchströmen des Umgebungsluftkompressors vorzugsweise auf einen über dem Soll-Kabinendruck liegenden Druck verdichtet, der eine Entfeuchtung der Umgebungsluft und anschließende Nutzung der Umgebungsluft zum Antreiben der Turbine ermöglicht. Die Kühlung der Umgebungsluft erfolgt dann sowohl durch die Übertragung von Wärme auf den Kältemittelkreislauf der Kältemaschine als auch durch die Entspannung der Umgebungsluft in der Turbine.
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Im Flugbetrieb des mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs überschreitet dagegen ab einer bestimmten Flughöhe (ca. 6000 m) der Druck der aus der Flugzeugkabine abgeführten Abluft den Umgebungsdruck außerhalb des Flugzeugs. Dadurch kann im Flugbetrieb des mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs, insbesondere ab einer Flughöhe von 6000 m, neben Zapfluft auch die über die Kabinenabluftleitung aus der Flugzeugkabine abgeführte Kabinenabluft zum Antreiben der Turbine werden. Dadurch können sowohl im Bodenbetrieb als auch im Flugbetrieb des Flugzeugs Energierückgewinnungspotenziale optimal genutzt werden.
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Die Turbine ist vorzugsweise in einer mit einem Einlass der Turbine verbundenen Turbinenzuluftleitung angeordnet. Insbesondere kann die Turbine stromabwärts eines Wasserabscheiders und/oder stromabwärts eines Rückheizers in der Turbinenzuluftleitung angeordnet sein. Der Begriff „stromabwärts“ bezieht sich hier auf die Strömungsrichtung der Umgebungsluft durch die Turbinenzuluftleitung im ersten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage. Beim Durchströmen des Wasserabscheiders kann die der Turbine im ersten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage zuzuleitende Umgebungsluft so weit entfeuchtet werden, dass sichergestellt ist, dass dem Mischer und folglich der zu klimatisierenden Flugzeugkabine nicht zu viel Feuchtigkeit zugeführt wird.
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Der in der Turbinenzuluftleitung angeordnete Rückheizer dient insbesondere dazu, die die Turbinenzuluftleitung durchströmende Umgebungsluft im ersten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage vor deren Zufuhr in die Turbine zu beheizen und stellt insbesondere eine thermische Kopplung zwischen der Turbinenzuluftleitung und einem stromabwärts des Umgebungsluftkompressors gelegenen Abschnitt der Umgebungsluftleitung her. Der Begriff „stromabwärts“ bezieht sich hier auf die Strömungsrichtung der Umgebungsluft durch die Umgebungsluftleitung. Dadurch bringt der Rückheizer die die Umgebungsluftleitung durchströmende warme Umgebungsluft nach deren Verdichtung in dem Umgebungsluftkompressor in Wärmekontakt mit der die Turbinenzuluftleitung durchströmenden Umgebungsluft vor deren Zufuhr in die Turbine. In dem Rückheizer können in dem Umgebungsluftstrom verbliebene Wassertropfen verdampft werden, um die Turbine vor Beschädigungen durch Tropfenschlag oder Kavitation zu schützen. Weiterhin erhöht der Rückheizer die Leistungsabgabe der Turbine.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Flugzeugklimaanlage mündet die Umgebungsluftleitung insbesondere stromaufwärts des Wasserabscheiders in die Turbinenzuluftleitung. Diese Anordnung stellt sicher, dass die Umgebungsluftleitung durchströmende Umgebungsluft vor der Zufuhr in die Turbine in dem Wasserabscheider entfeuchtet wird. Die Zapfluftleitung mündet dagegen vorzugsweise stromabwärts des Rückheizers in die Turbinenzuluftleitung. Die Zapfluftleitung durchströmende Zapluft ist trockener und muss daher nicht durch den Wasserabscheider geleitet werden.
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Die Kabinenabluftleitung kann stromaufwärts eines Mündungspunkts der Zapfluftleitung in die Turbinenzuluftleitung in die Zapfluftleitung münden. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht es, dass sich die die Kabinenabluftleitung durchströmende Kabinenabluft vor ihrer Zufuhr in die Turbine mit der die Zapfluftleitung durchströmenden Zapfluft vermischt. Auch die Kabinenabluft ist trockener als die die Turbinenzuluftleitung im ersten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage durchströmende Umgebungsluft, so dass auf eine Entfeuchtung der Kabinenabluft ebenfalls verzichtet werden kann.
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Die Flugzeugklimaanlage umfasst vorzugsweise ferner eine mit der Umgebungsluftleitung verbindbare Umgebungsluft-Bypassleitung. Die Umgebungsluft-Bypassleitung kann dazu eingerichtet sein, die Umgebungsluftleitung durchströmende Umgebungsluft an der Turbine vorbei in den Mischer zu leiten. Beispielsweise kann die Umgebungsluft-Bypassleitung im Bereich eines Mündungspunkts der Umgebungsluftleitung in die Turbinenzuluftleitung mit der Umgebungsluftleitung verbindbar sein, so dass die die Umgebungsluftleitung durchströmende Umgebungsluft wahlweise entweder in die Turbinenzuluftleitung oder die Umgebungsluft-Bypassleitung geleitet werden kann.
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Grundsätzlich kann die Flugzeugklimaanlage lediglich einen Umgebungsluftkompressor umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Flugzeugklimaanlage erfolgt die Umgebungsluftverdichtung jedoch zweistufig, so dass dem Umgebungsluftkompressor ein weiterer Umgebungsluftkompressor vorgeschaltet ist. Der weitere Umgebungsluftkompressor kann mit einer den weiteren Umgebungsluftkompressor antreibenden weiteren Turbine gekoppelt sein. Zum Antreiben der weiteren Turbine wird der weiteren Turbine vorzugsweise die Zapfluftleitung durchströmende Zapfluft zugeführt. Der Betrieb der weiteren Turbine wird von der Steuereinrichtung der Flugzeugklimaanlage vorzugsweise so gesteuert, dass die die Zapfluftleitung durchströmende Zapfluft beim Durchströmen der weiteren Turbine im zweiten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage, d.h. im Flugbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs, auf Kabinendruckniveau entspannt wird. Dadurch kann die Zapfluft vor ihrer Zufuhr in die Turbine optimal mit der Kabinenabluft aus der Kabinenabluftleitung vermischt werden.
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Im Flugbetrieb, insbesondere im Reiseflugbetrieb, eines mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs ist eine Entfeuchtung der in Reiseflughöhe des Flugzeugs sehr trockenen Umgebungsluft vor ihrer Zufuhr in die Flugzeugkabine nicht erforderlich. Demnach können der Wasserabscheider, der Rückheizer und die Turbine umgangen und die Umgebungsluft aus der Umgebungsluftleitung kann direkt in den Mischer der Flugzeugklimaanlage geleitet werden. Die Kühlung der Umgebungsluft erfolgt dann ausschließlich durch die Übertragung von Wärme auf den Kältemittelkreislauf der Kältemaschine.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Flugzeugklimaanlage ferner eine erste Regelventilanordnung zur Steuerung der Zufuhr von Umgebungsluft aus der Umgebungsluftleitung in die Turbinenzuluftleitung bzw. die Umgebungsluft-Bypassleitung. Die erste Regelventilanordnung kann ein in der Turbinenzuluftleitung angeordnetes Regelventil und ein in der Bypass-Umgebungsluftleitung angeordnetes Regelventil umfassen. Alternativ dazu kann die erste Regelventilanordnung jedoch auch in Form einer 3-Wegeventilanordnung ausgebildet sein, die im Bereich eines Verbindungspunkts der Umgebungsluftleitung mit der Turbinenzuluftleitung und der Umgebungsluft-Bypassleitung angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, den Betrieb der ersten Regelventilanordnung so zu steuern, dass die die Umgebungsluftleitung durchströmende Umgebungsluft im ersten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage in die Turbinenzuluftleitung und im zweiten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage in die Umgebungsluft-Bypassleitung geleitet wird.
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Die Flugzeuglimaanlage umfasst vorzugsweise ferner eine mit einem Auslass der Turbine verbundene Turbinenabluftleitung. Die Turbinenabluftleitung kann einen ersten Turbinenabluftleitungszweig und einen zweiten Turbinenabluftleitungszweig haben. Vorzugsweise verzweigt sich die Turbinenabluftleitung stromabwärts der Turbine in den ersten Turbinenabluftleitungszweig und den zweiten Turbinenabluftleitungszweig. Der Begriff „stromabwärts“ bezieht sich hier auf die Strömungsrichtung der aus dem Auslass der Turbine austretenden Turbinenabluft durch die Turbinenabluftleitung. Der erste Turbinenabluftleitungszweig ist vorzugsweise mit dem Mischer der Flugzeugklimaanlage verbunden und kann insbesondere direkt in den Mischer münden.
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Der zweite Turbinenabluftleitungszweig kann dagegen mit der Flugzeugumgebung verbunden sein, so dass Turbinenabluft über den zweiten Turbinenabluftleitungszweig in die Flugzeugumgebung abgeleitet werden kann. Beispielsweise kann der zweite Turbinenabluftleitungszweig in einen Stauluftkanal münden. In dem Stauluftkanal können beispielsweise ein Verflüssiger der Kältemaschine und/oder mindestens ein Vorkühler angeordnet sein. Die in den Stauluftkanal geleitete Turbinenabluft kann zur Kühlung des Verflüssigers und/oder des mindestens einen Vorkühlers genutzt werden. Dadurch kann der Stauluftbedarf der Flugzeugklimaanlage und folglich der durch die Zufuhr von Stauluft in die Flugzeugklimaanlage verursachte aerodynamische Widerstand verringert werden. Dies ermöglicht eine Verringerung des Treibstoffverbrauchs des Flugzeugs.
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Die Flugzeugklimaanlage umfasst vorzugsweise ferner eine zweite Regelventilanordnung zur Steuerung der Zufuhr von Turbinenabluft in den ersten Turbinenabluftleitungszweig bzw. den zweiten Turbinenabluftleitungszweig. Die zweite Regelventilanordnung kann ein in dem ersten Turbinenabluftleitungszweig angeordnetes Regelventil und ein in dem zweiten Turbinenabluftleitungszweig angeordnetes Regelventil umfassen. Alternativ dazu kann die zweite Regelventilanordnung jedoch auch in Form einer 3-Wegeventilanordnung ausgebildet sein, die im Bereich eines Verzweigungspunkts der Turbinenabluftleitung in den ersten Turbinenabluftleitungszweig und den zweiten Turbinenabluftleitungszweig in der Turbinenabluftleitung angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, den Betrieb der zweiten Regelventilanordnung so zu steuern, dass die die Turbinenabluftleitung durchströmende Turbinenabluft im ersten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage über den ersten Turbinenabluftleitungszweig in den Mischer der Flugzeugklimaanlage geleitet und im zweiten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage über den zweiten Turbinenabluftleitungszweig in die Flugzeugumgebung abgeführt wird. Dementsprechend wird sichergestellt, dass die im ersten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage zum Antreiben der Turbine genutzte Umgebungsluft nach ihrer Expansion in der Turbine in den Mischer und von dort in die Flugzeugkabine geleitet werden kann. Das im zweiten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage zum Antreiben der Turbine genutzte Gemisch aus Zapfluft und Kabinenabluft wird dagegen nach seiner Expansion in der Turbine vorzugsweise in die Flugzeugumgebung abgeführt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Flugzeugklimaanlage ferner eine mit der Zapfluftleitung verbindbare Zapfluft-Bypassleitung. Die Zapfluft-Bypassleitung ist vorzugsweise dazu eingerichtet, die Zapfluftleitung durchströmende Zapfluft an der Turbine vorbei zu leiten. Über die Zapfluft-Bypassleitung kann somit Zapfluft beispielsweise nach dem Durchströmen einer weiteren Turbine, die zum Antreiben eines dem Umgebungsluftkompressor vorgeschalteten weiteren Umgebungsluftkompressors dient, an der Turbine vorbei geleitet werden. Die Zapfluft-Bypassleitung kann über den zweiten Turbinenabluftleitungszweig mit der Flugzeugumgebung verbunden sein.
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Die Flugzeugklimaanlage kann eine dritte Regelventilanordnung umfassen. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise dazu eingerichtet, den Betrieb der dritten Regelventilanordnung so zu steuern, dass die die Zapfluftleitung durchströmende Zapfluft im ersten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage, in dem die Turbine von Umgebungsluft angetrieben wird, über die Zapfluft-Bypassleitung in die Flugzeugumgebung geleitet wird. Im zweiten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage steuert die Steuereinrichtung den Betrieb der dritten Regelventilanordnung dagegen vorzugsweise so, dass die die Zapfluftleitung durchströmende Zapfluft in die Turbinenzuluftleitung geleitet wird. Die Kabinenabluftleitung mündet vorzuweise stromabwärts der Abzweigung der Zapfluft-Bypassleitung von der Zapfluftleitung in die Zapfluftleitung, wobei sich der Begriff „stromabwärts“ hier auf die Strömungsrichtung der Zapfluft durch die Zapfluftleitung bezieht.
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Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Flugzeugklimaanlage wird Umgebungsluft durch eine Umgebungsluftleitung geleitet, die mit einem Mischer der Flugzeugklimaanlage verbunden ist, um dem Mischer Umgebungsluft zuzuführen. Die die Umgebungsluftleitung durchströmende Umgebungsluft wird in einem in der Umgebungsluftleitung angeordneten Umgebungsluftkompressor verdichtet. Eine Kältemaschine wird bereitgestellt, die einen von einem Kältemittel durchströmbare Kältemittelkreislauf sowie einen in dem Kältemittelkreislauf angeordneten Kältemittelkompressor umfasst. Der Kältemittelkreislauf der Kältemaschine wird thermisch mit der Umgebungsluftleitung gekoppelt, um vor der Zufuhr der Umgebungsluft in den Mischer Wärme von der die Umgebungsluftleitung durchströmenden Umgebungsluft an das in dem Kältemittelkreislauf zirkulierende Kältemittel zu übertragen. Der Betrieb der Flugzeugklimaanlage wird derart gesteuert, dass einer Turbine, die mit dem Umgebungsluftkompressor gekoppelt und dazu eingerichtet ist, den Umgebungsluftkompressor anzutreiben, in einem ersten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage Umgebungsluft aus der Umgebungsluftleitung und in einem zweiten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage einen Gemisch aus Zapfluft, welche von einem Triebwerk oder einem Hilfstriebwerk abgezapft wird, aus einer Zapfluftleitung und Kabinenabluft aus einer mit einer Flugzeugkabine verbindbaren Kabinenabluftleitung zugeführt wird.
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Der Betrieb der Flugzeugklimaanlage wird vorzugsweise derart gesteuert, dass der Turbine im Bodenbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs Umgebungsluft aus der Umgebungsluftleitung und im Flugbetrieb des mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs ein Gemisch aus Zapfluft aus der Zapfluftleitung und Kabinenabluft aus der Kabinenabluftleitung zugeführt wird.
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Der Betrieb einer ersten Regelventilanordnung kann so gesteuert werden, dass die die Umgebungsluftleitung durchströmende Umgebungsluft im ersten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage in eine mit einem Einlass der Turbine verbundene Turbinenzuluftleitung und im zweiten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage durch eine Umgebungsluft-Bypassleitung an der Turbine vorbei in den Mischer geleitet wird.
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Der Betrieb einer zweiten Regelventilanordnung kann so gesteuert werden, dass eine mit einem Auslass der Turbine verbundene Turbinenabluftleitung durchströmende Turbinenabluft im ersten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage über einen ersten Turbinenabluftleitungszweig in den Mischer der Flugzeugklimaanlage und im zweiten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage über einen zweiten Turbinenabluftleitungszweig in eine Flugzeugumgebung geleitet wird.
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Der Betrieb einer dritten Regelventilanordnung kann so gesteuert werden, dass die die Zapfluftleitung durchströmende Zapfluft im ersten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage über eine Zapfluft-Bypassleitung an der Turbine vorbei in die Flugzeugumgebung geleitet wird und im zweiten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage in die Turbinenzuluftleitung geleitet wird.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand der beigefügten schematischen Zeichnung näher erläutert, die in
- 1 eine Klimaanlage zur Klimatisierung einer Flugzeugkabine zeigt.
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Eine in 1 veranschaulichte Flugzeugklimaanlage 10 umfasst eine von Umgebungsluft durchströmbare Umgebungsluftleitung 12, die mit einem Mischer 14 der Flugzeugklimaanlage 10 verbunden ist, um dem Mischer 14 die einer Flugzeugumgebung 15 entnommene Umgebungsluft zuzuführen. Die Steuerung der Zufuhr von Umgebungsluft in die Umgebungsluftleitung 12 erfolgt mittels eines in der Umgebungsluftleitung angeordneten Ventils 13. In dem Mischer 14 wird die Umgebungsluft aus der Umgebungsluftleitung 12 mit aus einer Flugzeugkabine 16 abgeführter Rezirkulationsluft gemischt. Die in dem Mischer 14 erzeugte Mischluft wird schließlich zur Klimatisierung der Flugzeugkabine 16 verwendet.
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Die Flugzeugklimaanlage 10 ist mit einer Kältemaschine 17 ausgestattet, die einen von einem zweiphasigen Kältemittel, beispielsweise R134A (CH2F-CF3), CO2 oder R-245fa (1,1,1,3,3-Pentafuoropropan), durchströmten Kältemittelkreislauf 18 sowie einen in dem Kältemittelkreislauf 18 angeordneten Kältemittelkompressor 20 umfasst. Der Kältemittelkompressor 20 wird von einem ersten Elektromotor 22 angetrieben. Der Kältemittelkreislauf 18 ist thermisch mit der Umgebungsluftleitung gekoppelt, um vor der Zufuhr der Umgebungsluft in den Mischer 14 Wärme von der die Umgebungsluftleitung 12 durchströmenden Umgebungsluft an das in dem Kältemittelkreislauf 18 zirkulierende Kältemittel zu übertragen. Neben dem Kältemittelkompressor 20 sind in dem Kältemittelkreislauf 18 ein Verflüssiger 24, ein Kältemittelsammler 26, ein Expansionsventil 28 und ein Verdampfer 30, der den Kältemittelkreislauf 18 thermisch mit der Umgebungsluftleitung 12 koppelt, angeordnet.
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Der Kältemittelkreislauf 18 der Kältemaschine 17 ist ferner thermisch mit einer von Rezirkulationsluft durchströmten und mit dem Mischer 14 der Flugzeugklimaanlage 10 verbundenen Rezirkulationsluftleitung 32 gekoppelt, um Wärme von der die Rezirkulationsluftleitung 32 durchströmenden Rezirkulationsluft an das den Kältemittelkreislauf 18 durchströmende Kältemittel zu übertragen. Die thermische Kopplung zwischen dem Kältemittelkreislauf 18 und der Rezirkulationsluftleitung 32 ist durch einen weiteren Verdampfer 34 realisiert, der in einer von dem in dem Kältemittelkreislauf 18 angeordneten Kältemittelsammler 26 abzweigenden Verbindungsleitung 36 angeordnet ist. Die Kältemittelströmung durch die Verbindungsleitung 36 wird durch ein in der Verbindungsleitung 36 angeordnetes Steuerventil 38 gesteuert. Ferner ist in der Verbindungsleitung 36, bezogen auf die Strömungsrichtung des Kältemittels durch den Kältemittelkreislauf 18, stromaufwärts des weiteren Verdampfers 34 ein weiteres Expansionsventil 40 angeordnet. Durch das weitere Expansionsventil 40 können der Druck und die Temperatur des die Verbindungsleitung 36 durchströmenden Kältemittels wie gewünscht eingestellt werden, bevor das Kältemittel in den weiteren Verdampfer 34 geleitet wird.
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In der Flugzeugklimaanlage 10 wird die Kältemaschine 17 somit nicht nur zur Kühlung der die Umgebungsluftleitung 12 durchströmenden Umgebungsluft, sondern auch zur Kühlung von aus der zu klimatisierenden Flugzeugkabine abgeführten Rezirkulationsluft genutzt. Die Rezirkulationsluft kann daher vor ihrer Zufuhr in den Mischer 14 der Flugzeugklimaanlage 10 auf dieselbe tiefe Temperatur gekühlt werden, wie die die Umgebungsluftleitung 12 durchströmende Umgebungsluft. Folglich kann darauf verzichtet werden, die Umgebungsluft durch Wärmeübertragung auf das in dem Kältemittelkreislauf 18 der Kältemaschine 17 zirkulierende Kältemittel auf eine Temperatur abzukühlen, die unterhalb einer gewünschten Soll-Kabinenzulufttemperatur liegt. Ferner wird ein Betrieb der Kältemaschine 17 mit relativ hohen minimalen Kältemitteltemperaturen ermöglicht.
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In der Umgebungsluftleitung 12 ist ein Umgebungsluftkompressor 58 zum Verdichten der die Umgebungsluftleitung 12 durchströmenden Umgebungsluft angeordnet. Der drehzahlgeregelte Umgebungsluftkompressor 58 wird von einer Turbine 60 angetrieben. In der in der 1 gezeigten Ausführungsform einer Flugzeugklimaanlage 10 sind der Umgebungsluftkompressor 58 und die Turbine 60 auf einer gemeinsamen Welle 62 angeordnet. Der Umgebungsluftkompressor 58 wird von einer Steuereinrichtung 46 der Flugzeugklimaanlage 10 derart gesteuert, dass er die die Umgebungsluftleitung 12 durchströmende Umgebungsluft auf einen Druck verdichtet, der größer ist als der Soll-Kabinendruck in der zu klimatisierenden Flugzeugkabine 16. Ferner wird der Betrieb des Umgebungsluftkompressors 58 von der Steuereinrichtung 46 so gesteuert, dass die Temperatur der verdichteten Umgebungsluft eine Maximaltemperatur von beispielsweise 160°C nicht überschreitet.
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Dem Umgebungsluftkompressor 58 ist ein weiterer Umgebungsluftkompressor 64 vorgeschaltet, d.h. der weitere Umgebungsluftkompressor 64 ist, bezogen auf die Strömungsrichtung der Umgebungsluft durch die Umgebungsluftleitung 12 stromaufwärts des Umgebungsluftkompressors 58 in der Umgebungsluftleitung 12 angeordnet. Der drehzahlgeregelte weitere Umgebungsluftkompressor 64 wird von einer weiteren Turbine 66 angetrieben. In der in der 1 gezeigten Ausführungsform einer Flugzeugklimaanlage 10 sind der weitere Umgebungsluftkompressor 64 und die weitere Turbine 66 auf einer gemeinsamen Welle 67 angeordnet.
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In der Umgebungsluftleitung 12 ist stromabwärts des Umgebungsluftkompressors 58 ferner ein Vorkühler 68 zum Vorkühlen der von dem Umgebungsluftkompressor 58 verdichteten Umgebungsluft angeordnet. Der Begriff „stromabwärts“ bezieht sich hier auf die Strömungsrichtung der Umgebungsluft durch die Umgebungsluftleitung 12. Der Vorkühler 68 ist in einem Stauluftkanal 52 angeordnet und wird im Betrieb der Flugzeugklimaanlage 10 von durch den Stauluftkanal 52 geleiteter Stauluft durchströmt. Die Steuerung der Stauluftströmung durch den Stauluftkanal 52 erfolgt durch die Steuerung von in der Zeichnung lediglich schematisch angedeuteten Einlass- bzw. Auslassklappen 53. In dem Vorkühler 68 wird die Umgebungsluft, die durch die Verdichtung in dem Umgebungsluftkompressor 58 erwärmt wurde, wieder auf eine gewünschte tiefere Temperatur abgekühlt. Stromabwärts des Vorkühlers 68 ist die Umgebungsluftleitung 12 über den in dem Kältemittelkreislauf 18 der Kältemaschine 17 angeordneten Verdampfer 30 thermisch mit dem Kältemittelkreislauf 18 gekoppelt.
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Neben dem Vorkühler 68 ist in dem Stauluftkanal 52 auch der Verflüssiger 24 der Kältemaschine 17 angeordnet, wobei der Verflüssiger 24, bezogen auf die Strömungsrichtung der Stauluft durch den Stauluftkanal 52, stromaufwärts des Vorkühlers 68 in dem Stauluftkanal 52 positioniert ist. Um auch im Bodenbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage 10 ausgestatteten Flugzeugs für eine ordnungsgemäße Durchströmung des Stauluftkanals 52 mit Stauluft zu sorgen, ist in dem Stauluftkanal 52 ferner ein Gebläse 70 zur Förderung von Stauluft durch den Stauluftkanal 52 angeordnet. Das Gebläse 70 wird von einem zweiten Elektromotor 72 angetrieben.
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Ferner umfasst die Flugzeugklimaanlage 10 eine Zapfluftleitung 73, die von Zapfluft durchströmbar ist. Die die Zapfluftleitung 73 durchströmende Zapfluft wird von einem Triebwerk 74 oder einem Hilfstriebwerk eines mit der Flugzeugklimaanlage ausgestatteten Flugzeugs abgezapft. Zur Steuerung der Zapfluftströmung in die Zapfluftleitung 73 ist in der Zapfluftleitung 73 ein entsprechendes Steuerventil 75 vorgesehen. Die weitere Turbine 66 ist in der Zapfluftleitung 73 angeordnet, so dass die weitere Turbine durch die die Zapfluftleitung 73 durchströmende Zapfluft angetrieben wird.
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Stromaufwärts der weiteren Turbine 66 zweigt von der Zapfluftleitung 73 eine Trimmluftleitung 76 ab, wobei sich der Begriff „stromaufwärts“ hier auf die Strömungsrichtung der Zapfluft durch die Zapfluftleitung 73 bezieht. Die Trimmluftströmung durch die Trimmluftleitung 76 wird durch ein in der Trimmluftleitung 76 angeordnetes Trimmluftventil 77 sowie ein Expansionsventil 79 gesteuert.
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Stromabwärts der thermischen Kopplung der Umgebungsluftleitung 12 mit dem Kältemittelkreislauf 18 der Kältemaschine 17 mittels des Verdampfers 30 mündet die Umgebungsluftleitung 12 in eine Turbinenzuluftleitung 78. Die Turbinenzuluftleitung 78 ist mit dem Einlass der Turbine 60 verbunden. In der Turbinenzuluftleitung 78 ist ein Wasserabscheider 80 angeordnet. Beim Durchströmen des Wasserabscheiders 80 wird die aus der Umgebungsluftleitung 12 in die Turbinenzuluftleitung 78 geleitete Umgebungsluft so weit entfeuchtet, dass sichergestellt ist, dass der zu klimatisierenden Flugzeugkabine 16 nicht zu viel Feuchtigkeit zugeführt wird. In dem Wasserabscheider 80 aus der Umgebungsluft abgeschiedenes Wasser wird über eine Drainageleitung 82 in den Stauluftkanal 52 geleitet und über Wassereinspritzdüsen 87, die bezogen auf die Strömungsrichtung der Stauluft durch den Stauluftkanal 52 stromaufwärts des Verflüssigers 24 der Kältemaschine 17 in dem Stauluftkanal 52 angeordnet sind, in den Stauluftkanal 52 eingespritzt. Dabei verdampft das Wasser zum Teil und kühlt die den Stauluftkanal 52 durchströmende Stauluft.
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Ferner ist in der Turbinenzuluftleitung 78 stromabwärts der Mündung der Kabinenabluftleitung 88 in die Turbinenzuluftleitung 78 ein Rückheizer 81 angeordnet. Der, bezogen auf die Strömungsrichtung der Turbinenzuluft durch die Turbinenzuluftleitung 78, stromabwärts des Wasserabscheiders 80 und stromaufwärts der Turbine 60 angeordneten Rückheizer 81 dient dazu, die die Turbinenzuluftluftleitung 78 durchströmenden Umgebungsluft vor deren Zufuhr in die Turbine 60 zu beheizen und stellt eine thermische Kopplung zwischen der die Turbinenzuluftleitung 78 stromabwärts des Wasserabscheiders 80 durchströmenden Umgebungsluft mit der die Umgebungsluftleitung 12 stromabwärts des Umgebungsluftkompressors 58 durchströmenden warmen Umgebungsluft her. In dem Rückheizer 81 werden nach dem Durchströmen des Wasserabscheiders 80 in dem Umgebungsluftstrom verbliebene Wassertropfen verdampft, um die Turbine 60 vor Beschädigungen durch Tropfenschlag oder Kavitation zu schützen. Weiterhin erhöht der Rückheizer 81 die Leistungsabgabe der Turbine 60. Stromabwärts des Rückheizers 81, d.h. unmittelbar stromaufwärts der Turbine 60, mündet die Zapfluftleitung 73 in die Turbinenzuluftleitung 78.
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Die Flugzeugklimaanlage 10 umfasst ferner eine Kabinenabluftleitung 88, die mit der mittels der Flugzeugklimaanlage 10 zu klimatisierenden Flugzeugkabine 16 verbindbar und - ebenso wie die Rezirkulationsluftleitung 32 - von aus der Flugzeugkabine 16 abgeführter Kabinenabluft durchströmbar ist. Die Steuerung der Kabinenabluftströmung durch die Kabinenabluftleitung 88 erfolgt mittels eines in der Kabinenabluftleitung 88 angeordneten Ventils 90. Die Kabinenabluftleitung 88 mündet, bezogen auf die Strömungsrichtung der Zapfluft durch die Zapfluftleitung 73, stromabwärts der weiteren Turbine 66 und stromaufwärts eines Mündungspunkts M der Zapfluftleitung 73 in die Turbinenzuluftleitung 78 in die Zapfluftleitung 73. Um eine unerwünschte Rückströmung von Zapfluft in die Kabinenabluftleitung 88 zu verhindern, ist in der Kabinenabluftleitung 88 ein Rückschlagventil 91 vorgesehen.
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Eine Umgebungsluft-Bypassleitung 92 der Flugzeugklimaanlage 10 ist dazu eingerichtet, die Umgebungsluftleitung 12 durchströmende Umgebungsluft bei Bedarf an der Turbine 60 vorbei in den Mischer 14 zu leiten. In der in der 1 dargestellten Flugzeugklimaanlage 10 ist die Umgebungsluft-Bypassleitung 92 im Bereich eines Mündungspunkts P der Umgebungsluftleitung 12 in die Turbinenzuluftleitung 78 mit der Umgebungsluftleitung 12 verbunden. Eine erste Regelventilanordnung 93 dient der Steuerung der Zufuhr von Umgebungsluft aus der Umgebungsluftleitung 12 in die Turbinenzuluftleitung 78 bzw. die Umgebungsluft-Bypassleitung 92. Mit Hilfe der ersten Regelventilanordnung 93 kann die die Umgebungsluftleitung 12 durchströmende Umgebungsluft somit wahlweise entweder in die Turbinenzuluftleitung 78 oder die Umgebungsluft-Bypassleitung 92 geleitet werden. Die erste Regelventilanordnung 93 ist in Form einer 3-Wegeventilanordnung ausgebildet, die im Bereich des Verbindungspunkts P der Umgebungsluftleitung 12 mit der Turbinenzuluftleitung 78 und der Umgebungsluft-Bypassleitung 92 angeordnet ist.
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Mit einem Auslass der Turbine 60 ist eine Turbinenabluftleitung 94 verbunden. Die Turbinenabluftleitung 94 hat einen ersten Turbinenabluftleitungszweig 94a und einen zweiten Turbinenabluftleitungszweig 94b. Insbesondere verzweigt sich die Turbinenabluftleitung 94 stromabwärts der Turbine 60 in den ersten Turbinenabluftleitungszweig 94a und den zweiten Turbinenabluftleitungszweig 94b. Der Begriff „stromabwärts“ bezieht sich hier auf die Strömungsrichtung der aus dem Auslass der Turbine 60 austretenden Turbinenabluft durch die Turbinenabluftleitung 94. Der erste Turbinenabluftleitungszweig 94a mündet in den Mischer 14 der Flugzeugklimaanlage 10.
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Der zweite Turbinenabluftleitungszweig 94b ist dagegen mit der Flugzeugumgebung 15 verbunden, so dass Turbinenabluft über den zweiten Turbinenabluftleitungszweig 94b in die Flugzeugumgebung 15 abgeleitet werden kann. In der in der 1 gezeigten Flugzeugklimaanlage 10 mündet der zweite Turbinenabluftleitungszweig 94b in den Stauluftkanal 52, wobei sich der zweite Turbinenabluftleitungszweig 94b vor seiner Mündung in den Stauluftkanal 52 in eine ersten Zweigleitung 95a, die stromaufwärts des Verflüssigers 24 der Kältemaschine 17 in den Stauluftkanal 52 mündet, und eine zweite Zweigleitung 95b, die stromabwärts des Verflüssigers 24 der Kältemaschine 17, aber stromaufwärts des Vorkühlers 68 in den Stauluftkanal 52 mündet, verzweigt. Die Begriffe „stromaufwärts“ bzw. „stromabwärts“ beziehen sich hier auf die Strömungsrichtung der Stauluft durch den Stauluftkanal 52. Ein Ventil 96 steuert die Turbinenabluftströmung durch die erste bzw. die zweite Zweigleitung 95a, 95b des zweiten Turbinenabluftleitungszweigs 94b. Die in den Stauluftkanal 52 geleitete Turbinenabluft kann zur Kühlung des Verflüssigers 24 der Kältemaschine 17 bzw. des Vorkühlers 68 genutzt werden. Dadurch kann der Stauluftbedarf der Flugzeugklimaanlage 10 verringert werden.
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Die Flugzeugklimaanlage 10 umfasst ferner eine zweite Regelventilanordnung 97 zur Steuerung der Zufuhr von Turbinenabluft in den ersten Turbinenabluftleitungszweig 94a bzw. den zweiten Turbinenabluftleitungszweig 94b. Die zweite Regelventilanordnung 97 ist in Form einer 3-Wegeventilanordnung ausgebildet, die im Bereich eines Verzweigungspunkts der Turbinenabluftleitung 94 in den ersten Turbinenabluftleitungszweig 94a und den zweiten Turbinenabluftleitungszweig 94b in der Turbinenabluftleitung 94 angeordnet ist.
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Die Flugzeugklimaanlage 10 ist ferner mit einer Zapfluft-Bypassleitung 98 ausgestattet, die, bezogen auf die Strömungsrichtung der Zapfluft durch die Zapfluftleitung 93, stromabwärts der weiteren Turbine 66 von der Zapfluftleitung 93 abzweigt. Über die Zapfluft-Bypassleitung 98 kann die die Zapfluftleitung 73 durchströmende Zapfluft nach dem Durchströmen der weiteren Turbine 66 zum Antreiben des dem Umgebungsluftkompressor 58 vorgeschalteten weiteren Umgebungsluftkompressors 64 an der Turbine 60 vorbei geleitet werden. Die Zapfluft-Bypassleitung 98 mündet in den zweiten Turbinenabluftleitungszweig 94b und ist somit über den zweiten Turbinenabluftleitungszweig 94b und den Stauluftkanal 52 mit der Flugzeugumgebung 15 verbunden.
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Schließlich umfasst die Flugzeugklimaanlage 10 eine dritte Regelventilanordnung 99. Mit Hilfe der dritten Regelventilanordnung 99 kann die die Zapfluftleitung 93 stromabwärts der weiteren Turbine 66 durchströmende Zapfluft wahlweise entweder in die Turbinenzuluftleitung 78 oder die Zapfluft-Bypassleitung 98 geleitet werden. Die dritte Regelventilanordnung 99 ist in Form einer 3-Wegeventilanordnung ausgebildet, die im Bereich des Abzweigungspunkts A der Zapfluft-Bypassleitung 98 von der Zapfluftleitung 73 angeordnet ist.
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Die Steuereinrichtung 46 der Flugzeugklimaanlage 10 steuert den Betrieb der Flugzeugklimaanlage 10 derart, dass der Turbine 60 in einem ersten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage 10 Umgebungsluft aus der Umgebungsluftleitung 12 und in einem zweiten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage 10 ein Gemisch aus Zapfluft aus der Zapfluftleitung 93 und Kabinenabluft aus der Kabinenabluftleitung 88 zugeführt wird. Im ersten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage 10 wird somit der Druck der vorverdichteten Umgebungsluft zum Antreiben der Turbine 60 genutzt. Im zweiten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage 10 wird dagegen der Druck der aus einer Flugzeugkabine abgeführten Abluft, welcher im Flugbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage 10 ausgestatteten Flugzeugs ab einer bestimmten Flughöhe den Umgebungsdruck außerhalb des Flugzeugs überschreitet, zur Energierückgewinnung genutzt. Die aus der vorverdichteten Umgebungsluft bzw. der Kabinenabluft zurück gewonnene Energie wird zum Antreiben des Umgebungsluftkompressors 58 verwendet. Dadurch kann der zum Antreiben des Umgebungsluftkompressors 58 erforderliche Zapfluftstrom verringert und dementsprechend die Energieeffizienz der Flugzeugklimaanlage verbessert werden.
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Insbesondere steuert die Steuereinrichtung 46 den Betrieb der Flugzeugklimaanlage 10 derart, dass der Turbine 60 im Bodenbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage 10 ausgestatteten Flugzeugs Umgebungsluft aus der Umgebungsluftleitung 12 zugeführt wird. Hierzu steuert die Steuereinrichtung 46 im Bodenbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage 10 ausgestatteten Flugzeugs, d.h. im ersten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage 10, den Betrieb der ersten Regelventilanordnung 93 derart, dass die die Umgebungsluftleitung durchströmende Umgebungsluft in die Turbinenzuluftleitung 78 geleitet wird. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass die erste 3-Wege-Regelventilanordnung 93 in eine Stellung gesteuert wird, in der sie die Turbinenzufluftleitung 78 freigibt, während sie die Umgebungsluft-Bypassleitung 92 verschließt. Das in der Kabinenabluftleitung 88 angeordnete Ventil 90 wird geschlossen, um die Zufuhr von Kabinenabluft durch die Kabinenabluftleitung 88 in die Zapfluftleitung 73 zu unterbinden.
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Ferner steuert die Steuereinrichtung 46 den Umgebungsluftkompressor 58 im Bodenbetrieb des mit der Flugzeugklimaanlage 10 ausgestatteten Flugzeugs derart, dass die Umgebungsluft beim Durchströmen des Umgebungsluftkompressors 58 auf einen über dem Soll-Kabinendruck liegenden Druck verdichtet wird, der eine Entfeuchtung der Umgebungsluft und anschließende Nutzung der Umgebungsluft zum Antreiben der Turbine 60 ermöglicht. Die Kühlung der Umgebungsluft erfolgt dann sowohl durch die Übertragung von Wärme auf den Kältemittelkreislauf 18 der Kältemaschine 17 als auch durch die Entspannung der Umgebungsluft in der Turbine 60.
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Darüber hinaus wird im Bodenbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage 10 ausgestatteten Flugzeugs, d.h. im ersten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage 10, der Betrieb der zweiten Regelventilanordnung 97 von der Steuereinrichtung 46 so gesteuert, dass die die Turbinenabluftleitung 94 durchströmende Turbinenabluft über den ersten Turbinenabluftleitungszweig 94a in den Mischer 14 der Flugzeugklimaanlage 10 geleitet und zur Klimatisierung der Flugzeugkabine 16 verwendet wird. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass die zweite 3-Wege-Regelventilanordnung 97 in eine derartige Stellung gesteuert wird, in der sie den ersten Turbinenabluftleitungszweig 94a freigibt, während sie den zweiten Turbinenabluftleitungszweig 94b verschließt.
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Schließlich wird im Bodenbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage 10 ausgestatteten Flugzeugs die dritte 3-Wege-Ventilanordnung 99 in eine Stellung gesteuert, in der sie die Zapfluft-Bypassleitung 98 freigibt, während sie einen, bezogen auf die Strömungsrichtung der Zapfluft durch die Zapfluftleitung 93, stromabwärts des Abzweigungspunkts A der Zapfluft-Bypassleitung 98 von der Zapfluftleitung 73 liegenden Abschnitt der Zapfluftleitung 93 verschließt. Dementsprechend wird im ersten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage 10 die Zapfluft nach dem Durchströmen der weiteren Turbine 66 über die Zapfluft-Bypassleitung 98 in den zweiten Turbinenabluftleitungszweig 94b geleitet und über den Stauluftkanal 52 in die Flugzeugumgebung 15 abgeführt.
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Im Flugbetrieb des mit der Flugzeugklimaanlage 10 ausgestatteten Flugzeugs überschreitet dagegen ab einer bestimmten Flughöhe (ca. 6000 m) der Druck der aus der Flugzeugkabine abgeführten Abluft den Umgebungsdruck außerhalb des Flugzeugs. Daher steuert die Steuereinrichtung 46 den Betrieb der Flugzeugklimaanlage 10 derart, dass die Turbine 60 im Flugbetrieb des mit der Flugzeugklimaanlage 10 ausgestatteten Flugzeugs, d.h. im zweiten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage 10, von einem Gemisch aus Zapfluft aus der Zapfluftleitung 93 und Kabinenabluft aus der Kabinenabluftleitung 88 angetrieben wird. Hierzu steuert die Steuereinrichtung 46 den Betrieb der Flugzeugklimaanlage 10 in deren zweitem Betriebszustand derart, dass der Turbine 60 im Flugbetrieb des mit der Flugzeugklimaanlage 10 ausgestatteten Flugzeugs ein Gemisch aus Zapfluft aus der Zapfluftleitung 93 und Kabinenabluft aus der Kabinenabluftleitung 88 zugeführt wird. Dementsprechend wird das in der Kabinenabluftleitung 88 angeordnete Ventil 76 geöffnet, um die Zufuhr von Kabinenabluft durch die Kabinenabluftleitung 88 in die Zapfluftleitung 73 zu ermöglichen.
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Gleichzeitig steuert die Steuereinrichtung 46 den Betrieb der dritten Regelventilanordnung 99 derart, dass die die Zapfluftleitung 93 durchströmende Zapfluft im zweiten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage 10 so, dass die die Zapfluftleitung 93 durchströmende Zapfluft gemeinsam mit der Kabinenabluft aus der Kabinenabluftleitung 88 in die Turbinenzuluftleitung 78 geleitet wird. Der Betrieb der ersten Regelventilanordnung 93 wird von der Steuereinrichtung 46 dagegen derart gesteuert, dass die die Umgebungsluftleitung 12 durchströmende Umgebungsluft über die Umgebungsluft-Bypassleitung 92 direkt in den Mischer 14 geleitet wird. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass die erste 3-Wege-Regelventilanordnung 93 in eine Stellung gesteuert wird, in der sie die Turbinenzufluftleitung 78 verschließt, während sie die Umgebungsluft-Bypassleitung 92 freigibt. Im Flugbetrieb, insbesondere im Reiseflugbetrieb, eines mit der Flugzeugklimaanlage 10 ausgestatteten Flugzeugs ist eine Entfeuchtung der in Reiseflughöhe des Flugzeugs sehr trockenen Umgebungsluft vor ihrer Zufuhr in die Flugzeugkabine 16 nicht erforderlich. Demnach können der Wasserabscheider 80, der Rückheizer 81 und die Turbine 60 umgangen und die Umgebungsluft aus der Umgebungsluftleitung 12 kann direkt in den Mischer 14 der Flugzeugklimaanlage 10 geleitet werden. Die Kühlung der Umgebungsluft erfolgt dann ausschließlich durch die Übertragung von Wärme auf den Kältemittelkreislauf 18 der Kältemaschine 17.
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Schließlich steuert die Steuereinrichtung 46 im zweiten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage 10, d.h. im Flugbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage 10 ausgestatteten Flugzeugs den Betrieb der zweiten Regelventilanordnung 97 derart, dass die die Turbinenabluftleitung 94 durchströmende Turbinenabluft über den zweiten Turbinenabluftleitungszweig 94b in die Flugzeugumgebung abgeführt wird. Dementsprechend wird sichergestellt, dass das im zweiten Betriebszustand der Flugzeugklimaanlage 10 zum Antreiben der Turbine 60 genutzte Gemisch aus Zapfluft und Kabinenabluft nach seiner Expansion in der Turbine 60 in die Flugzeugumgebung abgeführt wird.
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Indem der Umgebungsluftkompressor 58 die die Umgebungsluftleitung 12 durchströmende Umgebungsluft auf einen Druck verdichtet, der größer ist als der Soll-Kabinendruck in der zu klimatisierenden Flugzeugkabine 16, ermöglicht die Turbine 60 auch die Realisierung eines Kaltluftprozesses, bei dem die die Umgebungsluftleitung 12 durchströmende Umgebungsluft zunächst verdichtet und anschließend wieder entspannt und dabei abgekühlt wird. In der Flugzeugklimaanlage 10 kann demnach entweder ausschließlich der in der Kältemaschine 17 ablaufende Kaltdampfprozess (beispielsweise im Flugbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage 10 ausgestatteten Flugzeugs bei einer Flughöhe ab 6000 m) oder sowohl der Kaltdampfprozess als auch der Kaltluftprozess (beispielsweise im Bodenbetrieb eines mit der Flugzeugklimaanlage 10 ausgestatteten Flugzeugs oder im Flugbetrieb des Flugzeugs bis zu einer Flughöhe von 6000 m) zur Aufbereitung und Kühlung der die Umgebungsluftleitung 12 durchströmende Umgebungsluft genutzt werden.
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Schließlich ist durch eine Abschaltung der Kältemaschine 17 auch ein Betrieb der Flugzeugklimaanlage 10 unter ausschließlicher Nutzung des Kaltluftprozesses möglich. Dies kann beispielsweise dann sinnvoll sein, wenn die Flugzeugkabine 16 mittels der Flugzeugklimaanlage 10 beheizt werden soll. Ein Betrieb der Flugzeugklimaanlage 10 unter ausschließlicher Nutzung des Kaltluftprozesses ist auch als Notfallbetrieb bei einem Ausfall der Kältemaschine 17 möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2735510 A1 [0002]
- US 2014/0144163 A1 [0002]
