DE3801042C2 - Raumklima-Aufbereitungsanlage für Fluggeräte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Raumklima-Luftaufbereitungsanlage für Fluggeräte, insbesondere für Personenbeförderungs­ flugzeuge.

Die Atemluft für die Passagiere eines Flugzeuges, das in großer Höhe fliegt, wird von einer Raumklima-Luftaufbereitungs­ anlage geliefert, die aus der Umgebungsluft niedrigen Drucks, der oft in der Größenordnung von 280 Millibar liegt, einen Luftdruck in der Kabine von etwa 800 Millibar bei einer Temperatur in der Größenordnung von 0°C aufbaut (eine Flugzeugkabine muß nämlich im allgemeinen wegen der von den Passagieren selbst abgegebenen Wärme gekühlt wer­ den). Zu diesem Zweck enthält die Anlage einen eingangs­ seitigen Kompressor, der die Außenluft aufnimmt und kom­ primierte Luft abgibt, die aufgrund der verrichteten Arbeit erwärmt ist und entweder direkt in die Kabine abgegeben wird, wenn diese erwärmt werden soll, oder aber zu einem Kühlaggregat gelangt. Ein solches Kühlaggregat enthält einen zweiten Kompressor, auf den ein Wärmetauscher folgt, der einer äußeren Luftströmung ausgesetzt ist, beispiels­ weise bei einer Temperatur von etwa 10°C, um die Abkühlung zu gewährleisten. Die komprimierte Luft, welche aus dem Wärmetauscher austritt, wird anschließend unter Verrichtung von Arbeit entspannt (wodurch die Abkühlung ermöglicht wird), mittels einer Entspannungsturbine, die auf derselben Welle wie der Kompressor befestigt ist, so daß am Auslaß des Aggregats der gewünschte Druck und die gewünschte Tem­ peratur erhalten werden.

Bei zu niedriger Temperatur wird die Öffnung eines Abzweig­ schiebers verändert, welcher sich zwischen dem Wärmetau­ scher und der Flugzeugkabine befindet.

Die Energie, die erforderlich ist, um die Druckluft zum Einlaß des Kühlaggregats zu liefern, ist groß und muß mini­ miert werden.

Die Erfindung ermöglicht eine solche Minimierung des Ener­ gieverbrauchs.

Zu diesem Zweck wird zum einen von der Tatsache ausgegan­ gen, daß die Luft in der Kabine eines fliegenden Flugzeugs sich auf einem höheren Druck als der Umgebungsdruck befin­ det und andererseits der Wirkungsgrad der Anlage je größer ist, desto niedriger die Temperatur des kältesten Punktes dieser Anlage ist.

Die Verwendung einer Turbine zur Entspannung der aus der Kabine austretenden Luft zur Erzeugung von abgekühlter Luft ist zwar an sich bereits bekannt, z. B. aus der US-PS 4 419 926 und der US-PS 3 369 777; die entsprechenden Anla­ gen weisen jedoch einen kleineren Wirkungsgrad als die nach der Erfindung auf, bei welcher eine Turbine verwendet wird, die Luft mit einer Temperatur erzeugt, welche niedriger als die Temperatur der Außenluft ist.

In der erstgenannten Druckschrift ist eine Raumklima-Luft­ aufbereitungsanlage für Fluggeräte mit einer Entspannungs­ turbine beschrieben, die im Flugbetrieb durch die aus der Kabine kommende Luft angetrieben wird, wenn der Druck der Kabinenluft höher als der Außenluftdruck ist, und die ein Kühlaggregat zur Kühlung der Luft vor ihrer Einleitung in die Kabine aufweist. Wenn die Entspannungsturbine nicht in Betrieb ist, also etwa am Boden oder bei geringer Flughöhe, wird die Kühlung der Luft durch ein Kühlaggregat geliefert, das unter anderem auch Wärmetauschersysteme enthält. Als Kühlmedium dieser Wärmetauschersysteme wird nur die Außen­ luft verwendet. Für den Fall, daß die Entspannungsturbine in Betrieb ist und Kühlluft liefert, die kühler als die Außen­ luft ist, enthält diese Raumklima-Luftaufbereitungsanlage zur Ausnutzung des Kühleffekts dieser Luft einen zusätz­ lichen Wärmetauscher. Dieser Wärmetauscher verwendet nur die aus der Entspannungsturbine kommende Kühlluft als Kühl­ medium, um die durch den Kompressor verdichtete und erwärmte Luft abzukühlen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese gat­ tungsgemäße Vorrichtung, die den durch eine von der Kabinen­ luft angetriebene Entspannungsturbine zusätzliche hervor­ gerufenen Kühleffekt ausnutzt, in ihrem Aufbau einfacher und damit kostengünstiger zu gestalten und den Wirkungsgrad des Kühlaggregats zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Entspannungsturbine der gattungsgemäßen Vorrichtung Luft bei einer Temperatur abgibt, die geringer als die Temperatur der Außenluft ist, und daß die von dieser Turbine gelieferte Luft mit der Außenluft vermischt wird, um die Temperatur des Wärmetauschers abzusenken.

Die Differenz zwischen der Außenlufttemperatur und der Temperatur der Luft, welche von der Entspannungsturbine geliefert wird, beträgt beispielsweise 30°C.

Die Entspannungsturbine, welche durch die Luft angetrieben wird, die aus der Kabine austritt, treibt vorzugsweise einen Kompressor an, der Außenluft aufnimmt und dessen Wir­ kung sich zu derjenigen des einlaßseitigen Kompressors hin­ zuaddiert. Wie dieser eingangsseitige Kompressor liefert er Luft zum Einlaß des Kühlaggregats. Auf diese Weise wird die erforderliche Leistung des eingangsseitigen Kompressors weiter vermindert.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen der Erfindung und aus der Zeichnung, auf die Bezug genom­ men wird. In der Zeichnung zeigen die Fig. 1 bis 3 Blockschaltbilder mehrerer Ausführungsformen der Raumklima- Aufbereitungsanlage.

Die in Fig. 1 dargestellte Raumklima-Luftaufbereitungs­ anlage für Personenbeförderungsflugzeuge enthält eine erste Öffnung 10 zur Aufnahme der Außenluft auf einem niedrigen Druck in der Größenordnung von 280 Millibar, wenn das Flug­ zeug seine Flughöhe erreicht hat. Diese Öffnung ist über einen ersten Kompressor 10' an eine Verteilungskanalisation 11 angeschlossen, die ihrerseits mit dem Einlaß von zwei gleichen Kompressoren 12, 12 ₁ verbunden ist. Die Öffnung 10 ist ferner mit dem Einlaß eines weiteren Kompressors 14 verbunden. Mittels eines Abzweigschiebers 30 kann die aus dem Kompressor 10' austretende Luft bei Bedarf, wenn die Kabine 16 beheizt werden soll, in welcher sich die Passa­ giere und die Mannschaft befinden, direkt in diese Kabine geleitet werden. Wenn die Kabine gekühlt werden soll, wird die aus dem Kompressor 10' austretende Luft durch ein Kühl­ aggregat gekühlt, zu dem die Kompressoren 12, 12 ₁ und 14 gehören.

Die aus dem Kompressor 12 austretende Luft durchquert einen Wärmetauscher 15 und tritt aus diesem aus, um in die Kabine 16 eingeleitet zu werden, nachdem sie einen verstellbaren Abzweigschieber 17 und eine zu dieser parallel liegende Entspannungsturbine 18 durchströmt hat.

Der Wärmetauscher 15 kühlt die aus dem Kompressor 12 aus­ tretende komprimierte Luft. Das Kühlfluid ist durch die Außenluft gebildet, welche über eine entsprechende Öffnung 18' eingeleitet wird. Im Flugbetrieb des Flugzeugs wird die Kühlung durch Kaltluft bei einer Temperatur in der Größenordnung von -40°C vervollständigt, die über eine Rohrleitung 19 geliefert wird, welche aus einer weiteren Entspannungsturbine 20 gespeist wird, die gemäß einem wichtigen Merkmal der Erfindung die Luft aufnimmt, welche aus dem Luftauslaßschieber 21 der Kabine 16 austritt, und entspannt diese Luft auf den Außendruck. Die Turbine 20 ist so dimensioniert, daß die Temperatur der aus ihr aus­ tretenden Luft niedriger ist als die Temperatur der Außen­ luft, welche durch die Öffnung 18' eintritt. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad der Luftaufbereitungsanlage wesentlich gesteigert. Bei einer praktischen Ausführungs­ form ist die Temperatur der von der Turbine 20 gelieferten Luft um etwa 30°C geringer als die Temperatur der Außenluft. Gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal der Erfindung wird der Kompressor 14 über die Welle 22 der Turbine 20 ange­ trieben.

In gleicher Weise ist der Kompressor 12 ₁ einem Wärmetau­ scher 15 ₁, einem Abzweigschieber 17 ₁ und einer Entspannungs­ turbine 18 ₁ zugeordnet.

Der Wärmetauscher 15 ₁ gewährleistet wie der Wärmetauscher 15 eine Abkühlung durch die Außenluft über eine entspre­ chende Öffnung 18'₁ und, wenn das Flugzeug seine Flughöhe erreicht hat, überdies durch die Luft, welche von der Tur­ bine 20 geliefert wird.

Der Kompressor 14, welcher an die Öffnung 10 angeschlossen ist, hat die gleiche Funktion wie der Kompressor 10'. Er ermöglicht eine Absenkung der Leistung dieses Kompressors durch die Steigerung des Durchsatzes in der Verzweigungs­ kanalisation 11.

Es wird nun die Funktionsweise beschrieben.

Wenn das Flugzeug seine Flughöhe erreicht hat, sind die Schieber 17 und 17 ₁ offen, und die Entspannungsturbinen 18 und 18 ₁ sind außer Betrieb. Die Außenluft, welche durch die Kompressoren 10' und 14 komprimiert wird, gelangt zu Ventilen 40 und 40 ₁, die parallel zu den Kompressoren 12 bzw. 12 ₁ liegen, und dann zu den Wärmetauschern 15, 15 ₁, von denen sie dann direkt in die Kabine 16 gelangt.

Aufgrund der Verdichtung ist die aus diesen Kompressoren 10' und 14 austretende Luft auf eine hohe Temperatur er­ wärmt. Die Wärmetauscher 15 und 15 ₁ gewährleisten die Ab­ kühlung, damit die. Luft in die Kabine 16 bei einer Tempe­ ratur von 0°C eintritt. In diesen Wärmetauschern wird die Kühlung einerseits durch die Außenluft über die Einlässe 18' und 18'₁ und andererseits über die eine Temperatur von -40°C aufweisende Luft gewährleistet, welche durch die Turbine 20 gewonnen wird, die unter Verrichtung von Arbeit die aus der Kabine 16 herrührende Luft entspannt. Diese Entspannung ermöglicht ferner den Betrieb des Kompressors 14. Die durch die Entspannung der aus dem Flugzeug abge­ leiteten Luft gewonnene Energie trägt somit zur Verdichtung der Außenluft und zur Kühlung der verdichteten Luft bei.

Wenn sich das Flugzeug am Boden befindet und der Druck in der Kabine 16 der gleiche ist wie der Außendruck, kann die Energie aufgrund der Entspannung bei der Luftabführung na­ türlich nicht genutzt werden. Aus diesem Grunde werden dann die Entspannungsturbinen 18 und 18 ₁ verwendet, während die die Schieber 17 und 17 ₁ geschlossen sind.

Wenn hingegen im Flugbetrieb die Kühlung nicht ausreicht, können die. Turbinen 18 und 18 ₁ verwendet werden. In diesem Falle wird durch die Größe der Öffnung der Schieber 17 und 17 ₁ in herkömmlicher Weise eine zusätzliche Regulierung der Temperatur in der Flugzeugkabine 16 ermöglicht.

Bei einer (nicht dargestellten) Ausführungsform treibt die Welle 22 der Turbine 20 die Welle an, an welche der Kom­ pressor 12 und die Turbine 18 angeschlossen sind. In die­ sem Falle addiert sich die Wirkung der Turbine 20 zur Wir­ kung des Motors 31 hinzu, welcher den Kompressor 12 und die Turbine 18 antreibt, oder ersetzt gar diesen Motor 31.

Bei einer weiteren Ausführungsform wird am Einlaß der Tur­ bine 20 ein Injektor 32 von variablem Querschnitt verwen­ det, durch den eine Veränderung der Kühlluft ermöglicht wird, die über die Rohrleitung 19 geliefert wird. Der Quer­ schnitt dieses Injektors ist am größten (und folglich die Leistung maximal), wenn die kühlende Außenluft eine relativ hohe Temperatur aufweist, beispielsweise bei niedriger Flug­ höhe. Diese Ausbildung ist sowohl bei der in Fig. 1 gezeig­ ten Ausführungsform als auch bei der oben beschriebenen Variante anwendbar, bei welcher die Turbine 20 den Kompres­ sor 12 antreibt.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform wird die un­ ter Verrichtung von Arbeit stattfindende Entspannung, wel­ che die Turbine 20 bewirkt, nicht in dem Wärmetauscher 15 ausgenutzt, sondern in einem zusätzlichen Wärmetauscher 35, welcher die aus dem Wärmetauscher 15 austretende Luft kühlt, wobei der Schieber 17 vollständig offen ist.

Der Vorteil dieser Ausführungsform gegenüber der in Fig. 1 gezeigten besteht in einem größeren Wirkungsgrad, da die der Aufbereitungsanlage zuzuführende Leistung geringer ist. Jedoch sind die Herstellungskosten dieser Ausführungsform höher, dann es muß ein zusätzlicher Wärmetauscher 35 vorge­ sehen werden.

Beide Ausführungen können auch kombiniert werden, beispiels­ weise durch Verwendung mehrerer Entspannungsturbinen 20, wovon einige für den Wärmetauscher 15 und andere für den Wärmetauscher 35 verwendet werden.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist die Welle 22, an welche der Kompressor 14 und die Turbine 20 angeschlossen sind, an einen Motor 50 angekoppelt, der in Funktion gesetzt wird, wenn die Druckdifferenz zwischen der Kabine 16 und der Außenumgebung gering ist, wenn also das Flugzeug sich am Boden oder auf niedriger Flughöhe befindet. In diesem Falle kann das Kühlaggregat 41, welches den Kompressor 12 und die Turbine 18 enthält, außer Betrieb gesetzt werden. Die Kühlung wird durch die unter Verrichtung von Arbeit in der Turbine 20 stattfindende Entspannung gewährleistet, wobei diese Turbine 20 dem Wärmetauscher 35 Kühlluft zu­ führt.

Claims (9)

1. Raumklima-Luftaufbereitungsanlage für Fluggeräte, ins­ besondere Personenbeförderungsflugzeuge, mit einer Entspan­ nungsturbine (20), die im Flugbetrieb durch die aus der Ka­ bine kommende Luft angetrieben wird, und mit einem Kühl­ aggregat zur Kühlung der Luft vor ihrer Einleitung in die Kabine mittels eines Wärmetauschers (15, 15 ₁), der durch die Außenluft gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ent­ spannungsturbine (20) Luft bei einer Temperatur abgibt, die geringer als die Temperatur der Außenluft ist, und daß die von dieser Turbine gelieferte Luft mit der Außenluft ver­ mischt wird, um die Temperatur des Wärmetauschers (15, 15 ₁) abzusenken.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung der aus der Kabine austretenden Luft zur Ver­ dichtung der Außenluft genutzt wird.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Kompressor (14) aufweist, der durch die Welle (22) der Entspannungsturbine (20) angetrieben wird.

4. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Klimatisierung der Luft am Boden eine Entspannungsturbine (18, 18 ₁) vorgesehen ist, welche die aus einem Kompressor (12, 13) austretende Luft entspannt und teilweise oder vollständig außer Betrieb ist, wenn das Flugzeug sich auf Flughöhe befindet.

5. Anlage nach Anspruch 4, mit einem Kühlaggregat, das einen Kompressor (12, 13) und den genannten Wärmetaucher (15, 15 ₁) zur Kühlung der so verdichteten Luft aufweist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie einen Abzweigschieber (17, 17 ₁) auf­ weist, der regulierbar ist und im geöffneten Zustand die Einleitung der aus dem Wärmetauscher (15, 15 ₁) autretenden Luft direkt in die Kabine ermöglicht und im geschlossenen Zustand diese aus dem Wärmetaucher (15, 15 ₁) austretende Luft über die Entspannungsturbine (18, 18 ₁) führt, wobei alle möglichen Zwischenzustände auftreten können.

6. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsturbine (20), die durch die aus der Kabine kommende Luft angetrieben wird, mittels eines Injektors (32) gespeist wird, der einen veränderlichen Querschnitt aufweist.

7. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsturbine (20), welche durch die aus der Kabine kommende Luft angetrieben wird, eine Welle antreibt, an welche wenigstens ein Kompressor (12) und gegebenenfalls ein Motor (31) sowie eine Entspan­ nungsturbine (18) angeschlossen sind.

8. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsturbine (20), welche durch die aus der Kabine kommende Luft angetrieben wird, auch durch einen Motor (50) angetrieben wird, der in Funk­ tion ist, wenn die Druckdifferenz zwischen der Kabine des Fluggeräts und der Außenumgebung kleiner als ein vorbestimm­ ter Schwellenwert ist.

9. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der aus der Entspannungs­ turbine (20) austretenden Luft um etwa 30°C geringer als die Temperatur der Außenluft ist.