DE2834256C2 - Anordnung zur Klimatisierung von Luftfahrzeugkabinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Klimatisierung von Luftfahrzeugen mit von einer Verdichterstufe eines Triebwerkes entnommener Anzapfluft, die in einem offenen Kreislauf über einen Vorkühler, einige Wärmetauscher, einen Wasserabscheider, einen Kompressor und eine Kühlturbine einer zu klimatisierenden Kabine zugeführt wird, wobei an den offenen Kreislauf ein geschlossener Kühlkreislauf für einen Instrumentenraum angekoppelt ist.

Bei den heute gebauten Luftfahrzeugen ist es üblich, die Kabinen mit Hilfe von Druckluft zu klimatisieren. Die hierfür erforderliche Druckluft kann entweder einem Verdichter eines Triebwerkes oder einem besonderen Kompressor entnommen werden. Das Anzapfen von Druckluft von einem Verdichter eines Triebwerkes ist jedoch nur dann sinnvoll, wenn die erforderliche Menge keine merkbare Leistungsminderung für das Triebwerk zur Folge hat.

Während dies bei Kampfflugzeugen im großen und ganzen zutrifft, gilt es für Passagierflugzeuge nicht, weil dort relativ große Luftmengen zur Klimatisierung erforderlich sind.

Neben der Klimatisierung der Flugzeugkabine ist es bei Kampfflugzeugen auch notwendig, weitere Räume, insbesondere Instrumentenräume, das heißt, Räume mit empfindlichen elektronischen Geräten, zu klimatisieren. Eine solche Maßnahme ist wichtig, da von einer einwandfreien Funktion dieser Geräte nicht nur die Sicherheit des eigenen Flugzeuges, sondern auch die Erfüllung

der jeweiligen Mission abhängt

Bisher war es üblich, Instrumentenräume mit zusätzlichen Kreisläufen zu klimatisieren. So zeigt zum Beispiel die US-PS 24 77 931 eine Klimaanlage, bei welcher für den Instrumentenraum ein geschlossener, durch ein Lüfterrad antreibbarer Kreislauf vorgesehen ist Das Lüfterrad dieses geschlossenen Kreislaufs ist über eine Well: mit der Kühlturbine eines offenen Kühlkreislaufs verbunden, und beide Kreisläufe sind über einen Wärmevauscher miteinander verkoppelt Ein solcher Aufbau und eine solche Verkopplung der Kreisläufe ist jedoch unzweckmäßig, weil dies einen relativ hohen Energieverbrauch bedeutet, der durch Druckluft von einer Triebwerksverdichterstufe aufzubringen ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Energieverbrauch einer mit Druckluft von einer Verdichterstufe eines Triebwerkes betreibbaren Anordnung zur Klimatisierung von Luftfahrzeugkabinen und instrumentenräumen zu verringern.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der geschlossene Kühlkreislauf durch einen Wärmetauscher führt, der in einem weiteren geschlossenen Kreislauf mit einem Kompressor, einer Kühlturbine und einem dazwischen liegenden Wärmetauscher ange-

ordnet ist, wobei der Kompressor des weiteren geschlossenen Kreislaufs mit der Kühlturbine des offenen Kreislaufs gekoppelt ist und die Abluft der Kabine durch den Wärmeaustauscher des weiteren geschlossenen Kreislaufs geführt wird.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird der bei der ersten Kühlturbine erzeugte Energieüberschuß zum Antrieb eines zweiten Kompressors benutzt, um mit einer zweiten, durch eine Welle mit diesem Kompressor verbundenen Kühlturbine und zwei Wärmeaustauschern einen geschlossenen Kühlkreislauf zu betreiben. Dieser Kühlkreislauf dient zur Kühlung einer Kühlflüssigkeit, welche ihrerseits in einem geschlossenen Kreislauf den Instrumentenraum klimatisiert. Der geschlossene Kühlkreislauf kann dabei mit Luft, Helium oder einem geeigneten Gemisch als Kühlmedium betrieben werden, wobei Helium den Vorteil größerer Kühlkapazität hat. Die erfindungsgemäße Anordnung hat daher den Vorteil, ohne Aufwendung zusätzlicher Energie auch die mit zusätzlichen empfindlichen Geräten versehenen Räume zu klimatisieren.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung sind zwei Flugzeugtriebwerke 1 und 2 symbolisch dargestellt, die jeweils eine Hochdruckstufe 3, eine Zwischendruckstufe 4 und ein« Niederdruckstufe 5 aufweisen. Von den beiden Hochdruckstufen 3 wird Anzapfluft über je eine Ventil 6,7 entnommen und über eine Leitung 8 mit einem Vorkühler 9 einem Kompressor 10 zugeführt. Der von der Welle einer Kühlturbitte Ii angetriebene Kompressor 10 leitet die Luft anschließend zu einem Wärmetauscher 12, dessen Sekundärseite durch Stauluft beaufschlagt ist. Danach wird die Luft über die Primärseite eines Zwischenkühler 13, die Primärseite eines Regenerativ-Wärmetauschers 14, einen Wasserabscheider 15, die Sekundärseite des Zwischenkühler 13 zur Kühlturbine 11 geleitet und entspannt. Die durch die Entspannung abgekühlte Luft gelangt anschließend über die Sekundärseile des Regenerativ-Wärmetauschers 14 und ein Ventil 16 in die zu

b5 klimatisierende Kabine 17. Zur Einstellung der Lufttemperatur kann wärmere Luft über eine ein Temperaturregelventil 19 enthaltende Leitung 18 hinter dem Vorkühler 9 abgegriffen und vor dem Ventil 16 der Kabine

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17 zugeführt werden. Wie bereits erwähnt, werden der Wärmetauscher 12 und der Vorkühler 9 sekundärseitig mit Stauluft zur Wärmeabfuhr beaufschlagt wobei die Einlaufkanäle 20, 21 durch Klappen 22, 23 mit Hilfe bekannter Stellorgane 24, 25 verschließbar sind. Zur Aufrechterhaltung der Funktionsfähigkeit bei fehlender Stauluft, z. B. bei mit laufenden Triebwerken am Boden stehender Flugzeuge, kann dem Vorkühler 9 und dem Wärmetauscher 12 über jeweils eine ein Ventil 26_; 27 enthaltende- Leitung 28,29 Druckluft von der Leitung 8 zugeführt werden. Hierdurch ist es möglich, eine Injektorwirkung zu erzeugen und damit Umgebungsluft zur Wärmeabfuhr durch den Vorkühler 9 und den Wärmetauscher 12 zu ziehen.

Aus der Kabine 17 wird die verbrauchte Luft als Abluft über ein Druckregelventil 30 abgeführt und in einen Raum 31 geleitet. Dieser Raum 31 sowie weitere Räume 32,33,34 sind zur Aufnahme empfindlicher Geräte, z. B. elektronischer Geräte, vorgesehen und müssen daher, um die Funktionsfähigkeit dieser Geräte zu gewährleisten, ebenfalls klimatisiert werden. Während der Raum 31 mit der Abluft der Kabine 17 klimatisiert wird, werden die Räume 32,33 mit Luft versorgt, die über eine ein Ventil 35 enthaltende Leitung 36 vor dem Ventil 16 der Kabine 17 abgegriffen wird. Nach dem Durchströmen der Räume 31, 32 und 33 wird diese Luft in in einer gemeinsamen Leitung 37 gesammelt und als Kühlluft über die Primärseite eines Wärmetauschers 38 in's Freie geleitet Die Sekundärseite dieses Wärmetauschers 38 liegt in einem geschlossenen Kreislauf mit einem Kompressor 39, einer Kühlturbine 40 und der Primärseite eines weiteren Wärmetauschers 41. Der Kreislauf ist dabei so geschaltet daß jeweils zwischen dem Kompressor 39 und der Kühlturbine 40 eine Seite der Wärmeaustauscher 38,41 liegt. Die Sekundärseite des Wärmetauschers 41 ist von einer Kühlflüssigkeit beaufschlagt die in einem geschlossenen Kreislauf die parallel geschalteten Räume 32,33,34 kühlt. Zur Förderung der Kühlflüssigkeit ist dabei eine Umwälzpumpe 42 vorgesehen.

Der Kompressor 39 und die Kühlturbine 40 sind durch eine gemeinsame Welle miteinander verbunden und über eine Kupplung 43 an den Kompressor 10 bzw. die Kühlturbine 11 gekoppelt. Hierdurch wird der sonst nicht benutzte Energieüberschuß der Kühlturbine 11 ausgenutzt, um den geschlossenen Kreislauf aus Wärmetauscher 38, Kühlturbine 40, Wärmetauscher 41 und Kompressor 39 anzutreiben. Ohne die von der Kühlturbine 11 zugeführter Energie würde dieser Kreislauf nicht funktionieren. Dieser geschlossene Kreislauf kann mit Luft oder einem anderen geeigneten Medium, z. B. Helium, oder einem Gemisch als Kühlmittel gefüllt sein. Das Kühlmedium wird zunächst im Kompressor 39 durch Kompression erwärmt und dann im Wärmetauscher 38 vorgekühlt. Anschließend wird das Kühlmedium in der Kühlturbine 40 durch das Entspannen soweit abgekühlt, daß der nachfolgende Wärmetauscher 41 die Kühlflüssigkeit der Sekundärseite auf die notwendige Temperatur abkühlt. Die Verwendung von Helium im geschlossenen Kühlkreislauf hat dabei den Vorteil, wegen der spezifischen Eigenschaften dieses Stoffes beim Entspannen in der Kühlturbine 40 auf tiefere Temperaturen abzusinken, wodurch eine stärkere Kühlung der Kühlflüssigkeit auf der Sekundärseite des Wärmetauschers 41 erreicht werden kann. Das Versorgen der Räume 31, 32, 33 mit der Kabinenabluft bzw. mit. Luft, die vor der Kabine 17 abgegriffen wird, hat den Vorteil, bestimmte gewünschte Raumtemperaturen für diese Räume einstellen zu können. Die Anordnung gewährleistet durch eine gute Energieausnutzung, insbesondere bei der ersten Kühlturbine 11 sowie durch Vorkühlung des des iCühlmediums im geschlossenen Kreislauf mit dem durch die Kabinenabluft beaufschlagten Wärmetauscher 38 eine vorzügliche Klimatisierung der Flugzeugkabine 17 und der Räume 31—34 mit empfindlichen vorzugsweise elektronischen Geräten.

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b0 Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Klimatisierung von Luftfahrzeugkabinen mit von einer Verdichterstufe eines Triebwerkes entnommener Abzapfluft, die in einem offenen Kreislauf über einen Vorkühler, einige Wärmetauscher, einen Wasserabscheider, einen Kompressor und eine Kühlturbine einer zu klimatisierenden Kabine zugeführt wird, wobei an den offenen Kreislauf ein geschlossener Kühlkreislauf für einen Instrumentenraum angekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Kühlkreislauf durch einen Wärmetauscher (41) führt, der in einem weiteren geschlossenen Kreislauf mit einem Kompressor (39) einer Kühlturbine (40) und einem dazwischenliegenden Wärmetauscher (38) angeordnet ist, wobei der Kompressor (39) des weiteren geschlossenen Kreislaufs mit der Kühlturbine (11) des offenen Kreislaufs gekoppelt ist und die Abluft der Kabine (17) durch den Wärmeaustauscher (38) des weiteren geschlossenen Kreislaufs geführt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (39) und die Kühlturbine (40) des weiteren geschlossenen Kreislaufs auf einer gemeinsamen Welle sitzen und der geschlossene Kreislauf mit Luft als Kühlmittel gefüllt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere geschlossene Kreislauf mit Helium als Kühlmittel gefüllt ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere geschlossene Kreislauf mit einem Luft-Helium-Gemisch als Kühlmittel gefüllt ist.