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Die Erfindung bezieht sich auf Luftzyklus-Klimaanlagen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Aus der US-PS 41 98 830 ist eine Luftzyklus-Klimaanlage zum Extrahieren von Wasser aus der Arbeitsluft als Alternative zu Extraktoren, die einen Koaleszenzbehälter verwenden, sowie mit einer Vorrichtung zum Reduzieren des nachteiligen Einflusses auf den Betrieb der Kühlturbine, der sich aus der Verwendung der angegebenen Extraktoren ergibt, bekannt. Hierbei wird das gesamte Wasser, das aus der Arbeitsluft einer Anlage entzogen wird, entweder ungenutzt über Bord gegeben oder aber in einen getrennten Luftstrom, z. B. Stauluft, eingespeist und erst über Bord gegeben, nachdem es als Kühlmittel durch den Wärmetauscher der Anlage geströmt ist. Hierbei wird das Wasser nicht in die Arbeitsluft zurückgeführt, aus der es entzogen worden ist.
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Des weiteren ist aus der Literaturstelle "Flug-Revue International", Heft 1, 1965, Seiten 23-26 die Verwendung regenerativer Wärmetauscher zur Erhöhung der Kühlwirkung herkömmlicher Systeme bekannt. Bei dieser an sich bekannten Verwendung regenerativer Wärmetauscher für Klimaanlagen wird die Kabinenaustrittsluft zur Kühlung der Eintrittsluft verwendet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Luftzyklus-Klimaanlage der gattungsgemäßen Art eine zusätzliche Kühlung dadurch zu erzielen, daß die latente Verdampfungswärme des aus der Hochdruck-Speiseluft extrahierten Wassers möglichst wirksam ausgenutzt wird.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen dieser Luftzyklus-Klimaanlage sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einer derartigen Luftzyklus-Klimaanlage mit Luftexpansionsturbinen strömt Arbeitsluft aus der Turbine als Kühlmittel durch einen Wärmetauscher der Anlage, nachdem einer Wärmelast Wärme entzogen worden ist; die Wasserabziehvorrichtung entzieht der Arbeitsluft aus einem Hochdruckbereich stromaufwärts in bezug auf die Turbine Wasser, und dieses Wasser wird in die gleiche Luft in einem Bereich zurückgeführt, in welchem es eine Kühlfunktion in dem oder einem anderen Wärmetauscher ausführt. Die Rückführung des entzogenen Wassers in die Arbeitsluft stellt eine wesentliche Verbesserung der Leistung bekannter Anlagen dar, bei denen das Wasser entweder ungenutzt über Bord gegeben oder bestenfalls in einen Kühlmittelluftstrom eingeführt wird, der nicht der Arbeitsluftstrom ist. Diese Verbesserung stellt eine wirksame Ausnutzung der latenten Verdampfungswärme der Feuchtigkeit in der Arbeitsluft dar, die eine höhere Wärmeübertragung in einem Wärmetauscher der Anlage ergibt und die es ermöglicht, niedrigere Temperaturen beim Expandieren der Arbeitsluft über die Kaltluft- oder Expansionsturbine zu erreichen.
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Es ist damit möglich, einer Flugzeugturbine weniger Luft zu entnehmen, als dies bei bisher bekannten Anlagen der Fall war, um die gleiche Kühlkapazität zu erzielen. Dies ist deshalb der Fall, weil die Arbeitsluft, die in die Turbine eintritt, im wesentlichen trocken ist, so daß Temperaturen unter 0° in der expandierenden Luft mit minimaler Vereisungsgefahr möglich sind, und weil das Wasser nachdem die expandierte Luft Wärme aus einer Wärmelast abgezogen hat, in die Arbeitsluft am Kühlmitteleintritt in einen Wärmetauscher zurückgeführt wird, so daß im wesentlichen der gesamte ursprüngliche Wassergehalt der Luft ausgenutzt wird, was die wirksamste Verwendung der latenten Verdampfungswärme gewährleistet. Diese Kombination von Einflüssen auf die Arbeitsluft ergibt die höchsten Temperaturverringerungen für den Wärmeübergang in einer Anlage, d. h. einen maximalen Kühleffekt. Die Wärmelast kann ein Wärmetauscher, und zwar ein regenerativer oder ein anderer Wärmetauscher, oder aber das Innere einer Kammer, durch die die Arbeitsluft geführt wird, sein.
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Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt
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Fig. 1 ein Schaltbild einer Luftzyklus-Klimaanlage nach einer Ausführungsform, und
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Fig. 2 ein Schaltbild einer Luftzyklus-Klimaanlage nach einer anderen Ausführungsform.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 weist eine Luftzyklus- Klimaanlage 10 eine Turbokompressoranordnung 11 in Bootstrapform auf, die eine Kaltluft-Expansionsturbine 12 besitzt, welche mit einem Radialkompressor 13 über eine Strömungsmittelverbindung 14 und eine gemeinsame Welle verbunden ist. Die Verbindung 14 führt Luft aus dem Kompressor 13 über die Ladeseite eines Wärmetauschers 15 und von dort an eine Wasserabziehvorrichtung 16 vom Wirbeltyp. Die Wasserabziehvorrichtung 16 ist mit einem Injektor 17 verbunden, der so ausgebildet ist, daß er Wasser in den Eintritt der Kühlmittelseite des Wärmetauschers 15 aus dem Sumpf der Wasserabziehvorrichtung 16 sprüht. Der Kompressor 13 ist so ausgelegt, daß er druckaufgeladene Speiseluft über einen Vorkühler-Wärmetauscher 18 aus einer Quelle, z. B. einer Hochdruck- oder Mitteldruckstufe eines Flugzeugturbinenmotors (nicht dargestellt) aufnimmt. Der Auslaß der Turbine 12 ist mit dem Einlaß einer Kammer oder Kabine 19 über die Kühlmittelseite eines Wärmetauschers oder einer Last- Wärme-Senke 20 verbunden; diese Seite bildet einen Teil einer Leitungsanordnung 21. Eine Leitung 22 zur Abgabe eines Abflusses der in der Turbine 12 entspannten Speiseluft aus der Kammer 19 ist mit der Kühlmittelseite des Wärmetauschers 15 verbunden und wird von dort über Bord abgegeben. Die Ladeseite des Wärmetauschers 20 bildet einen Teil eines geschlossenen Umlaufkreises, der eine Wärmelast 23, z. B. elektronische Gerätschaft, aufweist. Das Strömungsmittel innerhalb des Kreises kann gasförmig oder flüssig sein und wird durch ein Gebläse oder eine Pumpe 24 in Umlauf gesetzt. Die Leitungsanordnung 21 weist, wenn sie einer Kabine 19 zugeführt wird, eine Durchflußinduzieranordnung 25 auf, damit ein Teil der Kabinenluft in Umlauf gesetzt wird.
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Im Betrieb der Anlage 10 wird druckaufgeladene Luft aus der (nicht dargestellten) Speisequelle beim Durchströmen des Vorkühlers 18 gekühlt, bevor sie in die Bootstrap-Turbokompressoranordnung 11 eintritt, von wo sie expandiert wird, damit sie Temperaturen unter 0°C, z. B. -50°C bis -60°C erreicht, ehe sie in den Wärmetauscher 20 eintritt. Ein wesentlicher Wärmeübergang tritt in diesem Wärmetauscher 20 bei Wärmeableitung der Wärmelast 23 auf, derart, daß die Temperatur der in der Turbine 12 expandierten Speiseluft am Auslaß z. B. 0°C bis -10°C wird und, wenn diese in eine Kabine 19 eingespeist wird, auf einen für die Passagiere angenehmen Wert angehoben werden muß. Dies wird dadurch erreicht, daß ein Teil der Kabinenluft durch Einschluß der Durchflußinduzieranordnung 25, die stromaufwärts zum Kabineneintritt angeordnet ist, in Umlauf gesetzt wird. Die in der Turbine 12 expandierte Speiseluft strömt nach dem Austritt aus der Kabine 19 über eine Leitung 22 zum Wärmetauscher 15, in welchem sie das Kühlmittel für die Hochdruck-Speiseluft ergibt, nachdem diese durch den Kompressor 13 aufbereitet worden ist. Die Leistung dieser Anordnung für den Wärmeübergang wird dadurch verbessert, daß in die in der Turbine 12 expandierte Speiseluft am Kühlmittelflußeintritt des Wärmetauschers 15 das gesamte Wasser eingesprüht wird, das vorher aus der Hochdruck-Speiseluft durch die Wassertrennvorrichtung 16 extrahiert worden ist. Wenn weitgehend das gesamte Wasser aus der Speiseluft extrahiert und dann wieder zugeführt worden ist, ist die wirksamste Anwendung der latenten Wärme für die Verdampfung des Wassers erreicht, so daß eine Leistung erzielt wird, die im wesentlichen der äquivalent ist, die mit trockener Luft über dem Feuchtigkeitsbereich der Umgebung erzielt wird. Dies in Verbindung mit der Verwendung einer im wesentlichen unter 0°C liegenden Luft als Kühlmedium hält den Bedarf an Anzapfluft aus dem Flugzeugmotor auf einem Minimum.
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Nach Fig. 2 weist eine Luftzyklus-Klimaanlage 30, die aus der vorbeschriebenen Anlage nach Fig. 1 entwickelt worden ist und die ein höheres Maß an Selbstregelung und eine eingeprägte Fähigkeit zur Selbsteinstellung auf entsprechende Feuchtigkeitsbedingungen der druckaufgeladenen Speiseluft ergibt, eine Bootstrap-Turbokompressor- und Wärmetauscheranordnung 31 auf, die eine Luftexpansionsturbine 32 und einen Radialkompressor 33 besitzt, die auf einer gemeinsamen Welle befestigt sind; der Kompressorausgang ist dabei mit dem Turbineneinlaß über eine Leitungsanordnung 34 verbunden, die stromabwärts die Ladeseiten eines Zwischenkühlers 35, einem regenerativen Wärmetauscher 36, einen Zwischenerhitzer 37, einen Kondensator 38 und die Kühlmittelseite des Zwischenkühlers 37 aufweist. Eine Leitung 39 verbindet den Einlaß des Kompressors 33 mit einer Druckluftspeisequelle (nicht dargestellt), z. B. einer Flugzeugmotoranzapfung, über einen Vorkühler 40. Der Auslaß der Turbine 32 ist mit einer Leitungsanordnung 41 mit den Kühlmittelseiten des Kondensators 38 und eines Wärmetauschers 42, von dort mit einer Mehrzahl von Kammern, die eine Kabine 43 und zwei Gerätekammern 44, 45 umfassen können, und dann über die Kühlseiten eines Wärmetauschers 46 und den regenerativen Wärmetauscher 36 mit der Außenseite verbunden. Ein Geräteraum 45 ist in einer Zweigleitung 41 a angeordnet, die im Nebenschluß zur Kabine 43 und zur Kammer 44 liegt. Eine Wasserabziehvorrichtung 47, vorzugsweise eine mit starren Wirbelschaufeln, ist in die Leitungsanordnung 34 am Auslaß des Kondensators 38 eingeschaltet und über die Rohrleitung 48 mit einer Injektionsvorrichtung 49 verbunden, die Wasser in den Kühlmittelflußeintritt des Wärmetauschers 46 sprüht. Die Ladeseiten der Wärmetauscher 42 und 46 bilden einen Teil eines geschlossenen Umlaufkühlkreises 50, der eine Wärmelast 51 enthält. Das Kühlmittel innerhalb des Kreises 50 kann gasförmig oder flüssig sein und wird durch ein Gebläse oder eine Pumpe 52 in Umlauf gesetzt. Die Kühlmittelflüsse für den Vorkühler 40 und dem Zwischenkühler 35 können aus einer entsprechenden Quelle abgeleitet werden und werden im Falle der Anwendung auf Flugzeuge zweckmäßigerweise aus der Stauluft gebildet.
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Im Betrieb der Ausführungsform nach Fig. 2 wird bei einer Anwendung auf Flugzeuge druckaufgeladene Speiseluft mit einem vorgegebenen Druck in den Einlaß des Kompressors 33 über eine Leitung 39 und den Vorkühler 40 eingespeist. In einer für Bootstrap- Anordnungen üblichen Weise wird die Temperatur der Speiseluft während des Komprimierens der Luft erhöht und dann beim Durchgang durch die Leitungsanordnung 34 gekühlt, wobei bei dieser Anlage eine Kühlung nacheinander im Zwischenkühler 35 durch Stauluft und im regenerativen Wärmetauscher 36 durch die Speiseluft, die aus der Anlage 30 austritt, erzielt wird, während im Zwischenerhitzer 37 Wärme aus einem Bereich der Speiseluftstrom stromaufwärts des Kondensators 38 in einen Bereich stromabwärts übertragen wird, dabei erfolgt eine Zwischenerhitzung vor dem Eintritt in die Turbine 32, in der die Luft vollständig expandiert wird. Kondensat wird aus der Speiseluft am Kondensatorauslaß durch die Wasserabziehvorrichtung 47 entfernt.
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Bei hoher Feuchtigkeit wird die Temperatur der in der Turbine 32 expandierten Speiseluft, die aus dem Kondensator 38 austritt, nicht wesentlich unter dem Gefrierpunkt liegen, z. B. -10°C, und zwar aufgrund des Kondensationseffektes des Wassers in Luft, während bei niedriger Feuchtigkeit die Temperatur wesentlich geringer sein wird, z. B. -40°C und zwar aufgrund des verringerten Kondensationsbedarfs. Diese in der Turbine 32 expandierte abgegebene Speiseluft fließt wie der Kühlmittelfluß durch den Wärmetauscher 42, wo sie Wärme aus dem Kühlmittel des geschlossenen Kreises 50 aufnimmt, bevor sie in die Kabine 43 und die Kammer 44 gelangt, und fließt ferner in der Nebenschlußleitung 41 a aufgrund eines Temperatursteuerventils (nicht dargestellt) zur Kammer 45. Die in der Turbine 32 expandierte Speiseluft wird als Abfluß aus der Kabine und den Kammern 43 und 44, 45 als Kühlmittel in den Wärmetauscher 46 eingespeist, der eine Injektionsvorrichtung 49 besitzt, die das durch die Wasserabziehvorrichtung 47 extrahierte Wasser in seinen Eingang sprüht. Die Menge an Wasser nimmt mit zunehmend feuchten atmosphärischen Bedingungen zu, und infolgedessen nimmt der Kühleffekt auf den Ladefluß, nämlich das zirkulierende Strömungsmedium im Kühlkreis 50 zu; bei hoher Feuchtigkeit wird nicht das gesamte injizierte Wasser im Wärmeaustauscher 46 verdampft. Wasser, das nicht auf diese Weise verdampft worden ist, wird auf die Kühlmittelseite des regenerativen Wärmetauschers 36 der Turbo-Kompressoranordnung 31 geführt, wo es verdampft wird, bevor die in der Turbine 32 expandierte Speiseluft die Anlage verläßt.
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Das Strömungsmittel im geschlossenen Kühlkreis 50 wird durch das Gebläse oder die Pumpe 52 in Umlauf gesetzt, wobei Wärme, die an der Wärmelast 51 auftritt, durch den Übergang auf die in der Turbine 32 expandierte Speiseluft abgegeben wird, die durch die Wärmetauscher 42 und 46 fließt.
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Für die Speiseluft mit hoher Feuchtigkeit wird somit ein wesentlicher Anteil an Kühlkapazität durch Verdampfen von Wasser im Wärmetauscher 46 erreicht, während bei niedriger Feuchtigkeit ein wesentlicher Teil der Kühlung durch die kalte trockene Luft im Wärmetauscher 42 erreicht wird.
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Bei hoher Feuchtigkeit kann der Fluß der Speiseluft zur Turbine 32 in einem ausreichend trockenen Zustand gehalten werden, daß am Turbinenauslaß Temperaturen wesentlich unter 0°C erzielt werden, weil die Verdampfung im Wärmetauscher 46 nicht abgeschlossen ist und eine endgültige Verdampfung im regenerativen Wärmetauscher 36 vorgenommen wird, so daß eine höhere Kühlkapazität und infolgedessen eine höhere Kondensationsgeschwindigkeit im Kondensator 38 erzielt wird. Zur Regelung variabler Bedingungen und des Bedarfs während des Betriebes wird eine bekannte Temperatursteuervorrichtung (nicht dargestellt) in der Anlage verwendet, um eine maximale Effektivität im Betrieb zu erreichen.
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Aus Vorstehendem ergibt sich, daß die Leistung bekannter Anlagen durch die wirksamere Ausnutzung der latenten Verdampfungswärme verbessert werden kann, indem das gesamte Wasser, das aus der Speiseluft in einem Hochdruckbereich der Anlage in die gleiche Luft in einem Bereich zurückgeführt wird, wo eine Kühlfunktion erzielt wird, und daß bei Anwendung der Luft bei Temperaturen wesentlich unter 0°C als Kühlmedium der Bedarf an Nebenspeiseluft aus einem Turbinenmotor für eine gegebene Kühlkapazität der Anlage auf ein Minimum herabgesetzt werden kann.
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Es kann für die Durchflußregelung eine Turbine mit veränderlichen Durchflußdüsen eingesetzt werden, und/oder es können andere Nebenschlußanordnungen zum Abgleich der Kühlkapazität der Anlage auf die verschiedenen Wärmelasten vorgesehen werden.