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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein Kühlungssysteme
(ECSs) und Luftkreislaufkühlungssysteme
(ACCSs). Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein verbessertes
ACCS und ein verbessertes Verfahren zur Konditionierung von Wasserdampf
enthaltender Druckluft und zur Rückgewinnung
verlorener Energie aus einer Flüssigkeitsfüllung bei
gleichzeitiger Reduzierung der Systemgröße und des Abzapfluftverbrauchs
und Verbesserung des Wasserentfernungswirkungsgrads.
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ACCSs werden verwendet, um einem
geschlossenen Raum, wie beispielsweise einer Flugzeugkabine und
einem Flugzeugcockpit, konditionierte Luft zuzuführen. In der Vergangenheit
sind ACCSs mit einem Luft/Luft-Kreislaufkühlsystem mit einer integrierten
Flüssigkeitsschleife
zur Anwendung gekommen. Dabei diente die Flüssigkeitsschleife jedoch in
erster Linie dem Zweck, Radar- oder andere Avionikeinrichtungen
und nicht die zu konditionierende Luft zu kühlen. In solchen Systemen wird
eine Abzapfluftströmung
einer Zwischen- oder Hochdruckstufe innerhalb eines Düsentriebwerks
mit Mehrfachkompressionsstufen entnommen. Die Abzapfluft wird üblicherweise
innerhalb eines primären
Wärmetauschers
vorgekühlt,
wobei Wärme an
die Staudruck-Luft abgeführt
und anschließend
einem Kompressor zugeführt
wird. Nach erfolgter Kompression wird die Luft durch einen zweiten
Wärmetauscher
geleitet. Danach wird die Luft typischerweise in einen Luft/Luft-Zwischenüberhitzer-Wärmetauscher
eingeleitet und dann einem Luft/Luft-Kondensator-Wärmetauscher
zugeführt.
Kondensierter Wasserdampf wird durch einen Wasserextraktor extrahiert
und anschließend
zur Verdampfung dem zweiten Wärmetauscher
zugeleitet. Eine entfeuchtete Luft bewegt sich vom zweiten Wärmetauscher
zum Zwischenüberhitzer
und in eine Turbine hinein. Eine expandierte Luft aus der Turbine
strömt
durch den Kondensator und dient dabei als ein Kühlmedium. Wenn die Luftströmung aus
dem Kondensator durch einen Flüssigkeits/Luft-Wärmetauscher
strömt,
wird eine relativ wärmere
Flüssigkeit
aus einer Flüssigkeitsschleife
gekühlt
und dann zur Kühlung
von Avionikeinrichtungen verwendet. Nachdem die Luftströmung durch
den Flüssigkeits/Luft-Wärmetauscher geströmt ist,
wird diese Strömung
der Kabine zugeführt.
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Obwohl es Vorteile bietet, weist
das vorgenannte herkömmliche
ACCS mit einer Flüssigkeitsschleife
auch Nachteile auf. So wird beispielsweise die Flüssigkeitsfüllung typischerweise
direkt zur Kühlluftzufuhr
abgeführt.
Wenn die Flüssigkeitsfüllung hoch
ist, wärmt
sie üblicherweise
die Luft über die
gewünschte
Zufuhrtemperatur hinaus auf. Dies bedeutet, daß das ACCS größer ausgeführt werden muß, um die
Füllung
aufnehmen zu können.
Da sowohl ein Kondensator als auch ein Zwischenüberhitzer benötigt werden,
wird das System noch größer. Mit
weniger Bauteilen läßt sich
natürlich
bei einer gegebenen Raumgröße eine
höhere
Kühlleistung
erzielen. Wenn das ACCS zur Nachrüstung verwendet wird, ergeben
sich mit einem größeren System
weniger Möglichkeiten,
das ACCS in verschiedene nachzurüstende
Räume einzubauen.
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Im US-Patent 4,430,867 bewegt sich
in einem spezifischen Beispiel eines Luftkreislaufsystems mit einer
Flüssigkeitskühlschleife
eine komprimierte Abzapfluft in einen Flüssigkeits/Luft-Kondensator
hinein. Aus dem Flüssigkeits/Luft-Kondensator
bewegt sich die Luft durch einen Wassersammler und anschließend direkt
zu einer Turbine. Dementsprechend wird die in die Turbine einströmende Luft
nicht zwischenüberhitzt.
Von der Turbine aus strömt
eine expandierte Luft durch einen ersten Flüssigkeits/Luft-Wärmesenketauscher und dann in
eine Kabine hinein. In der Flüssigkeitsschleife
bewegt sich eine erwärmte
Flüssigkeit
aus dem Flüssigkeits/Luft-Kondensator
heraus und dient zur Eisabschmelzung an der vorgeschalteten Stirnfläche des ersten
Flüssigkeits/Luft-Wärmesenketauschers. Die Flüssigkeit
bewegt sich anschließend
durch einen zweiten Flüssigkeits/Luft-Wärmesenketauscher im Innern
einer Kabine und zurück
zum Flüssigkeits/Luft-Kondensator.
Dementsprechend wird die Flüssigkeit
aus einer Flüssigkeitsfüllung (d.h.
vom zweiten Flüssigkeits/Luft-Wärmesenketauscher)
zum Kondensieren und Entfernen von Wasser am Turbineneinlaß verwendet.
Was offensichtlich, zumindest ausdrücklich, nicht behandelt wird,
ist das Problem, von der Flüssigkeitsschleife
abgeführte
Wärme zurückzugewinnen.
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Das derselben Rechtsnachfolgerin
wie die vorliegende Erfindung übertragene
US-Patent 5,906,111 stellt ein Luftkreislaufsubsystem und Flüssigkeitskreislaufsubsystem
bereit. Der Luftkreislauf stellt eine Druckluft für einen
Flüssigkeits/Luft-Kondensator
und anschließend
einen Wasserextraktor bereit. Eine entfeuchtete Luft vom Wasserextraktor bewegt
sich in einen Flüssigkeits/Luft-Zwischenüberhitzer,
eine Turbine und dann in einen ersten und einen zweiten Flüssigkeits/Luft-Wärmetauscher hinein. Die Luft
aus dem zweiten Flüssigkeits/Luft-Wärmetauscher
wird zur Kühlung
eines geschlossenen Raums verwendet. Der Flüssigkeitskreislauf bewirkt, daß Flüssigkeit
durch den ersten Flüssigkeits/Luft-Wärmetauscher,
den Kondensator, den Zwischenüberhitzer
und dann durch den zweiten Flüssigkeits/Luft-Wärmetauscher
strömt.
Dadurch trägt
der Flüssigkeitskreislauf
dazu bei, Wasser aus der Luft im Luftkreislauf zu entfernen. Obwohl
ein Teil der verlorenen Energie aus der Flüssigkeitsfüllung zurückgewonnen wird, könnte ein
noch höherer
Wirkungsgrad erzielt werden.
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Eine Variation des im US-Patent 4,430,867 dargestellten
Luftkreislaufsystems ist im US-Patent 5,086,622 beschrieben, die
beide von derselben Erfinderin stammen. Im Letztgenannten wird Abzapfluft in
einem Kompressor komprimiert und dann einem Luft/Luft-Kondensator
zugeführt.
Nachdem Wasserdampf kondensiert und anschließend extrahiert wurde, bewegt
sich eine entfeuchtete Luft zwecks Expansion zu einer ersten Turbine.
Eine Austragsluft aus der ersten Turbine bewegt sich zum Kondensator zurück und dann
zu einer zweiten Turbine. Von der zweiten Turbine aus kann die Luft
einer Kabine zugeführt
werden. Bei dieser Konstruktion wird eine entfeuchtete Luft, bevor
sie in die erste Turbine gelangt, nicht durch einen Zwischenüberhitzer
geleitet. Daraus ergibt sich mindestens ein Nachteil, da die restlichen
kondensierten Wassertröpfchen
in der Einlaßströmung der
ersten Turbine auf kalte Turbinenschaufeln und Auslaßwände aufprallen
und gefrieren, wenn die Metalltemperaturen wesentlich unterhalb
des Gefrierpunkts liegen. Dann sammelt sich rasch Eis an und muß schnell
abgeschmolzen werden, um ein Verstopfen zu verhindern.
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In dem im europäischen Patent 248,578 B1 dargestellten
Luftkreislaufsystem komprimiert ein Kompressor eine Luftströmung, die
sich dann durch einen Kühlmittel-Wärmetauscher
bewegt. Anschließend
strömt
die Luft durch eine erste Turbine und in einen ersten Füllungs-Wärmetauscher.
Danach wird die Luft in eine zweite Turbine eingeleitet und dann einem
zweiten Füllungs-Wärmetauscher
zugeführt. Der
erste und der zweite Füllungs-Wärmetauscher,
in denen ein Wärmeaustausch
mit Wärmefüllungen stattfindet,
werden durch Luft oder andere Medien gekühlt. Nicht behandelt wird jedoch
die Frage, ob und wie Wasser aus der Luft extrahiert wird. Ebenfalls
nicht behandelt wird die Frage, wie die Füllungen zwischen den zweistufigen
Turbinen so ausgeglichen werden können, daß eine praxisgerechte Konstruktion
erzielt werden kann.
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Es besteht, wie erkennbar, ein Bedarf
an einem ACCS mit einer Flüssigkeitsschleife,
die so klein dimensioniert ist, daß bei einem gegebenen Raum eine
höhere
Kühlleistung
erzielt werden kann. Es besteht außerdem ein Bedarf an einem
ACCS, das aufgrund seiner relativ kleinen Größe für zahlreichere Anwendungen
zur Nachrüstung
eingesetzt werden kann. Des weiteren wird. ein ACCS benötigt, das
die Abzapfluft als ein Kühlmedium
mit einem höheren Wirkungsgrad
nutzen kann. Außerdem
wird ein Kühlungssystem
benötigt,
bei dem es möglich
ist, daß verlorene
thermische Energie aus einem Flüssigkeitskreislaufsystem
durch ein ACCS zurückgewonnen
wird. Darüber
hinaus besteht noch ein weiterer Bedarf an einem ACCS, das eine
Kondensationswärme
zurückgewinnen
und eine deutliche Kühlung
bewirken kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt
ein Verfahren zur Konditionierung von Wasserdampf enthaltender Druckluft
zwecks Zuführung
als konditionierte Luft gemäß Anspruch
1 bereit.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt
in schematischer Darstellung ein Flüssigkeits/Luft-Kreislaufsystem
oder Kühlungssystem
(ECS) 10 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das ECS 10 umfaßt ein Luftkreislaufsubsystem 11,
das in Wärmetauschbeziehung
zu einem Flüssigkeitskreislaufsubsystem 12 steht.
Genauer gesagt: Das Luftkreislaufsubsystem 11 beinhaltet
einen primären
Wärmetauscher 16,
einen Kompressor 19, einen sekundären Wärmetauscher 21, einen
ersten Wärmetauscher 23, einen
Zwischenüberhitzer 25,
eine erste Turbine 29, einen Wasserextraktor 31,
einen zweiten Wärmetauscher 33,
eine zweite Turbine 38 und einen dritten Wärmetauscher 40.
Das Flüssigkeitskreislaufsubsystem 12 beinhaltet
Bauteile, die auch als Teil des Luftkreislaufsubsystems 11 fungieren.
Das Flüssigkeitskreislaufsubsystem 12 beinhaltet
den zweiten und den dritten Wärmetauscher 33 bzw. 40 sowie
eine Pumpe 43 und einen vierten Wärmetauscher 45. Durch
die gemeinsamen Bauteile wird eine Wärmetauschbeziehung zwischen
den Subsystemen 11 und 12 aufgebaut.
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Wenn die gewählte Umgebung für die vorliegende
Erfindung ein Flugzeug ist, kann es sich bei der Wasserdampf enthaltenden
Luft um eine Abzapfluft 13 aus einem Turbinentriebwerk
des Flugzeugs handeln. Die Abzapfluft 13 strömt durch
das Luftkreislaufsubsystem 11, während im wesentlichen der gesamte
Wasserdampf von der ersten Turbine 29 kondensiert und anschließend der
kondensierte Wasserdampf vom Wasserextraktor 31 extrahiert wird.
Die Luftströmung
wird dann im Zwischenüberhitzer 25 zwischenüberhitzt
und von der zweiten Turbine 38 expandiert. Die Strömung aus
der zweiten Turbine 38 strömt durch den dritten Wärmetauscher 40 und
wird schließlich
einer Kabine 58 und/oder einer anderen Luftfüllung 62 zugeführt. Das
Flüssigkeitskreislaufsubsystem 12 bewirkt
eine Umwälzung eines
flüssigen
Kühlmittels
durch den vierten Wärmetauscher 45,
den zweiten Wärmetauscher 33 und dann
durch den dritten Wärmetauscher 40.
Dadurch wird die Abzapfluft 13 zur abschließenden Zufuhr
zu einem geschlossenen Raum konditioniert, das Flüssigkeitskreislaufsubsystem 12 kann
eine Flüssigkeitsfüllung 51 kühlen, und
die thermische Energie aus dem Flüssigkeitskreislaufsubsystem 12 kann durch
das Luftkreislaufsubsystem 11, speziell durch die zweite
Turbine 38, zurückgewonnen
werden.
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Um die vorliegende Erfindung noch
näher zu beschreiben,
und wie in 1 dargestellt,
wird die Abzapfluft 13 so durch den primären Wärmetauscher 16 geleitet,
daß die
Abzapfluft 13 in Wärmetauschbeziehung
zu einer Staudruck-Luft oder Umgebungsluft 14 steht. Nachdem
die Abzapfluft 13 im primären Wärmetauscher 16 gekühlt wurde,
tritt eine entstandene vorgekühlte
Luft durch einen Kanal 17 aus und strömt entweder durch ein Strömungsregelventil 65 oder
durch einen Kanal 18. Wenn sich die vorgekühlte Luft
durch den Kanal 18 bewegt, wird die Luft entweder durch
ein Temperaturregelventil 52 oder ein anderes Temperaturregelventil 66 geleitet,
die beide abschließend
Luft der Kabine 58 und/oder der Luftfüllung 62 zuleiten,
wie nachstehend weiter beschrieben. Andererseits, wenn sich die
vorgekühlte
Luft aus dem primären
Wärmetauscher 16 durch
das Strömungsregelventil 65 bewegt,
gelangt die Luft in den Kompressor 19, wo die Luft auf
einen hohen Druck komprimiert wird. Eine komprimierte Luft tritt
aus dem Kompressor 19 durch einen Kanal 20 aus
und gelangt in den sekundären
Wärmetauscher 21,
wodurch eine weitere Abkühlung
der komprimierten Luft durch Wärmetausch
mit einer Staudruck-Luft 15 erfolgt. Eine komprimierte
oder unter hohem Druck stehende, Wasserdampf enthaltende Luft tritt
aus dem sekundären
Wärmetauscher 21 aus
und strömt
durch einen Kanal 22.
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Der erste Wärmetauscher 23, der
ein Luft/Luft-Wärmetauscher
ist, erhält
die Wasserdampf enthaltende Luft aus dem Kanal 22. Der
erste Wärmetauscher 23 bringt
diese Luft in eine Wärmetauschbeziehung
zu einer Austragsluft aus der zweiten Turbine 38, wie nachstehend
ausführlicher
beschrieben. Durch einen solchen Wärmetauschprozeß wird die
Wasserdampf enthaltende Luft gekühlt. Die
gekühlte,
Wasserdampf enthaltende Luft bewegt sich dann durch einen Kanal 24 und
in den Zwischenüberhitzer 25 hinein,
wo die Luft weiter gekühlt
und Wasserdampf durch einen Wärmetauschprozeß mit der
Auslaßluft
aus dem zweiten Wärmetauscher 33 teilweise
kondensiert wird, wie nachstehend weiter beschrieben. Aus dem Zwischenüberhitzer 25 tritt eine
weiter gekühlte,
Wasserdampf enthaltende Luft durch einen Kanal 26 aus und
gelangt in einen wahlweise vorgesehenen Wasserextraktor 27.
Der Wasserextraktor 27 kann, wenn er nicht benötigt wird, verwendet
werden, um den teilweise kondensierten Wasserdampf zu entfernen. Über einen
Kanal 28 kann die Luft dann in die erste Turbine 29 strömen.
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Die erste Turbine 29 kondensiert
im wesentlichen den gesamten Wasserdampf in der Wasserdampf enthaltenden
Luft, und zwar als Folge davon, daß die Luft expandiert und somit
gekühlt
wird. In dieser bevorzugten Ausführungsform
wird der Austragsdruck von der ersten Turbine 29 jedoch
auf einer Austragstemperatur über
dem Gefrierpunkt (oder, anders ausgedrückt, auf einem mittleren Druck)
gehalten, so daß der
Bedarf an einem großen,
der Turbine 29 vorgeschalteten Kondensator entfällt. Ein
solcher Kondensator wird beispielsweise im US-Patent 5,086,622 benötigt. Über einen
Kanal 30 bewegt sich eine erste expandierte und wasserkondensierte
Luft aus der ersten Turbine 29 zu einem anderen Wasserextraktor 31,
der im wesentlichen das gesamte kondensierte Wasser aus der wasserkondensierten Luft
extrahiert, um eine entfeuchtete Luft zur Verfügung zu stellen. Es ist vorgesehen,
etwa 90% des gesamten kondensierten Wassers zu extrahieren, obwohl
diese Menge je nach Optimierung variieren kann. In dieser Ausführungsform
kann das extrahierte Wasser über
einen (nicht dargestellten) Kanal zwecks Verdampfung zum sekundären Wärmetauscher 21 geleitet
werden. Die entfeuchtete Luft aus dem Wasserextraktor 31 strömt dann
durch einen Kanal 32 und in den sekundären Wärmetauscher 33, der
ein Flüssigkeits/Luft-Wärmetauscher
ist, hinein.
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Im zweiten Wärmetauscher 33 wird
die entfeuchtete Luft in eine Wärmetauschbeziehung
zum Flüssigkeitskreislaufsubsystem 12 gebracht,
das jetzt abgeführte
Wärme oder
verlorene thermische Energie aus der Flüssigkeitsfüllung 51 enthält. Aufgrund
der Wärmetauschbeziehung
bewirkt der zweite Wärmetauscher 33 nicht
nur eine Erwärmung
der entfeuchteten Luft, sondern er absorbiert auch die verlorene
thermische Energie aus dem Flüssigkeitskreislaufsubsystem 12.
Dies steht im Gegensatz zu bisherigen Systemen, die Wärme aus
einer Flüssigkeitsfüllung abführen und
einer Zufuhr zuführen
und somit keine Rückgewinnung
zulassen. Die vorliegende Erfindung sieht wiederum, je nach Optimierung, vor,
daß die
Menge der vom zweiten Wärmetauscher 33 zurückgewonnenen
thermischen Energie etwa 60% der Gesamtenergie beträgt, die
für eine
Rückgewinnung
im zweiten Wärmetauscher 33 zur
Verfügung
steht. Die Rückgewinnung
im zweiten Wärmetauscher 33 erfolgt
in einer Weise, die es zuläßt, die zurückgewonnene
Wärme abschließend in
nützliche Arbeit
oder Energie umzuwandeln.
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In dieser Ausführungsform wird die zurückgewonnene
Energie dafür
genutzt, die Energieeingabe zur zweiten Turbine 38 zu erhöhen, was
eine höhere
Kompression durch den Kompressor 19 zur Folge hat, wie
nachstehend ausführlicher
beschrieben. Wie für
den Fachmann auf diesem Gebiet einleuchtend, handelt es sich bei
der Rückgewinnungsmenge der
Wärme aus
dem Flüssigkeitskreislaufsubsystem 12 innerhalb
des zweiten Wärmetauschers 33 mindestens
um eine Teilmenge, wobei die Restmenge auf die Zufuhr zur Kabine 58 und/oder
zur Luftfüllung 62 entfällt. Die
Rückgewinnungsmenge
hängt von den
Flugzeugflugbedingungen und der speziellen Flüssigkeitsfüllung 51 ab, wobei
höhere
Umgebungslufttemperaturen eine Reduzierung der Rückgewinnungsmenge bewirken.
Ungeachtet der Rückgewinnungsmenge
erzeugt der zweite Wärmetauscher 33 aus
der entfeuchteten Luft eine erwärmte
Luft.
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Die erwärmte Luft tritt aus dem zweiten
Wärmetauscher 33 durch
einen Kanal 34 aus und strömt dann zum Zwischenüberhitzer 25 zurück. Im Zwischenüberhitzer 25 dient
die erwärmte
Luft als das Kühlmedium
zur Kühlung
der einströmenden,
Wasserdampf enthaltenden Luft. Aus dem Zwischenüberhitzer 25 tritt
eine zwischenüberhitzte
Luft durch einen Kanal 35 aus und tritt in eine wahlweise
vorgesehene variable Düse 36 ein,
die die in die zweite Turbine 38 einströmende Strömungsmenge (d.h. den Druck)
regeln kann. Die variable Düse
ist ein integraler Bestandteil der Luftkreislaufmaschinenkonstruktion.
Die zwischenüberhitzte
Luft tritt aus der Düse 36 aus
und expandiert in der zweiten Turbine 38, die mit der ersten
Turbine 29 durch eine Welle 69 mechanisch verbunden
ist. Die zweite Turbine 38 expandiert nicht nur die zwischenüberhitzte
Luft, sondern gewinnt auch einen Teil der abgeführten Wärme aus dem Flüssigkeitskreislaufsubsystem 12 zurück, die vom
zweiten Wärmetauscher 33 absorbiert
wurde. Zusätzlich
gewinnt die zweite Turbine 38 einen Teil der aus der Kondensation
und der freien Kühlung stammenden
Wärme zurück, die
vom Zwischenüberhitzer 25 in
die zwischenüberhitzte
Luft abgeführt wurde.
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Die sowohl aus dem zweiten Wärmetauscher 33 als
auch aus dem Zwischenüberhitzer 25 zurückgewonnene
Wärme kann
beispielsweise von der zweiten Turbine 38 genutzt werden,
um ihre Drehgeschwindigkeit zu steigern, ihr Druckverhältnis zu
verstärken
und die Expansion der zwischenüberhitzten
Luft zu erhöhen.
Des weiteren, und wie aus 1 ersichtlich,
ist die zweite Turbine 38 mittels einer Welle 68 mechanisch
mit dem Kompressor 19 verbunden. Somit kann von der zweiten
Turbine 38 absorbierte Wärme oder Energie vom Kompressor 19 in
nützliche
Energie umgewandelt werden. Als Folge davon wird der Verbrauch der
Abzapfluft 13 durch das System 10 im Vergleich
zu demjenigen Verbrauch, der ansonsten bei Nichtvorhandensein der
zweistufigen Expansionsmethode gemäß der vorliegenden Erfindung
erforderlich sein würde,
reduziert.
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Wenn die zweite Turbine 38 die
zwischenüberhitzte
Luft expandiert, wird eine zweite expandierte Luft erzeugt, die
durch einen Kanal 39 aus der Turbine 38 austritt.
Anschließend
strömt
die zweite expandierte Luft durch den dritten Wärmetauscher 40, der
ein Flüssigkeits/Luft-Wärmetauscher
ist, wodurch die zweite expandierte Luft darin als ein Ergebnis
der Wärmetauschbeziehung
zwischen der zweiten expandierten Luft und dem Flüssigkeitskreislaufsubsystem 12 erwärmt wird.
Eine erwärmte
expandierte Luft tritt durch einen Kanal 41 aus dem dritten
Wärmetauscher 40 aus.
Aus dem Kanal 41 kann sich die Luft in einen Kanal 59,
einen Kanal 54 oder in ein Regenerativventil 42 hineinbewegen.
Durch den Kanal 59 gelangt die Strömung in ein Strömungsregelventil 60, einen
Kanal 61 und schließlich
zur Luftfüllung 62. Durch
den Kanal 54 strömt
die Luft in ein Strömungsregelventil 55,
in einen Kanal 56, an einem Temperatursensor 57 vorbei
und anschließend
in die Kabine 58. Durch das Regenerativventil 42 wird
die Luft in den ersten Wärmetauscher 23 eingeleitet,
um als ein Kühlmedium
für die
einströmende,
Wasserdampf enthaltende Luft zu dienen, wie vorstehend beschrieben.
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Falls es erwünscht sein sollte, die Zufuhr
entweder zur Kabine 58 und/oder zur Luftfüllung 62 zu regulieren,
können
die Strömungsregelventile 55, 60 betätigt werden,
um die Zufuhrmenge zu regulieren. Die Temperatur der Zufuhr kann
auch durch das Strömungsregelventil 65 reguliert
werden, das die Abzapfluft 13 durch den Kanal 18,
ein Temperaturregelventil 52 und einen Kanal 53 leitet,
so daß die
Abzapfluft 13 in die Zufuhr eingemischt werden kann. Eine
zusätzliche
Regulierung des ECS 10 kann dadurch erfolgen, daß zugelassen
wird, daß die
Abzapfluft 13 in einen Kanal 67 und durch ein
Strömungsregelventil 66 strömt, um die
zweite expandierte Luft aus der zweiten Turbine 38 zu erwärmen.
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Wie aus 1, auf die erneut Bezug genommen wird,
ersichtlich, ist das Flüssigkeitskreislaufsubsystem 12 ein
geschlossenes System, das ein flüssiges
Kühlmittel,
wie beispielsweise Polyalphaolefin (PAO) verwendet, um als ein Kühlmittelmedium und
als eine Wärmequelle
zu fungieren. Das flüssige Kühlmittel
zirkuliert durch das Subsystem 12 und ändert seine Funktion mit sich
verändernden
Wärmetauschprozessen,
wie nachstehend weiter beschrieben. Mit einem willkürlichen
Anfangspunkt bewegt die Pumpe 43 das flüssige Kühlmittel durch eine Rohrleitung 44 zur
Einleitung in den vierten Wärmetauscher 45,
der ein Flüssigkeits/Luft-Wärmetauscher
ist. Der darin stattfindende Wärmetauschprozeß zwischen
dem flüssigen
Kühlmittel
und einer Gebläseluft
kühlt die
Flüssigkeit.
Anschließend
strömt die
gekühlte
Flüssigkeit
durch eine Rohrleitung 46 zum zweiten Wärmetauscher 33. Im
zweiten Wärmetauscher 33 wird
Abwärme
zum Luftkreislaufsubsystem 11 abgeführt.
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Vom zweiten Wärmetauscher 33 aus
strömt eine
weiter gekühlte
Flüssigkeit
durch eine Rohrleitung 47 und entweder durch den dritten
Wärmetauscher 40 oder
eine Rohrleitung 48 und ein Bypassventil 49. Im
dritten Wärmetauscher 40 führt die
Flüssigkeit
zusätzliche
Abwärme
(wenn auch eine minimale Menge) an die zweite expandierte Luft aus
der zweiten Turbine 38 ab, wodurch die Flüssigkeit
weiter gekühlt
wird. Diese weiter gekühlte
Flüssigkeit
tritt aus dem dritten Wärmetauscher 40 über eine
Rohrleitung 50 aus, strömt
an einem Temperatursensor 63 vorbei und gelangt zwecks
Kühlung
in die Flüssigkeitsfüllung 51.
Der Temperatursensor 63 sowie der Temperatursensor 57 stellen
einem Regler 64 Temperaturdaten zur Verfügung, der
die variable Düse 36,
die der zweiten Turbine 38 vorgeschaltet ist, betätigt.
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Es ist offensichtlich, daß mit der
vorliegenden Erfindung, verglichen mit bisherigen Luftkreislaufkühlsystemen,
eine Reduzierung der Systemgröße erreicht
wird. Da beispielsweise, wie vorstehend erwähnt, Wasser hinter der ersten
Turbine 29 extrahiert werden kann, ist es möglich, einen
großen
Kondensator entfallen zu lassen. Die zweistufige Expansionsmethode
ermöglicht
es dem System 10, den Verbrauch der Abzapfluft 13 durch
Verarbeitung der Luft 13 in mehreren Schritten zu reduzieren.
Andererseits findet im herkömmlichen
ECS mit Hochdruckwasserabscheidung eine einmalige Expansion der Hochdruckabzapfluft
in der Turbine statt. Die Abzapfluftverwendung wird durch den Luftbedarf
der Kabine, die zwangsluftgekühlten
Avionikeinrichtungen und die Luft bestimmt, die benötigt wird,
um dem Flüssigkeitskühlbedarf
zu entsprechen. Allgemein hängt die
Abzapfluftverwendung vom Temperaturgradienten im Kondensator und
im Füllungswärmetauscher
ab. Der Temperaturgradient ist die Differenz zwischen der Turbinenaustragstemperatur
und der Kabinenzufuhrtemperatur. Die Turbinenaustragstemperatur
wird durch den Systemgegendruck bestimmt, und die Kabinenzufuhrtemperatur
ist ein Konstruktionsparameter. Bei einer einstufigen Turbinenexpansion
wird die Abzapfluftverwendung, wie erkennbar, durch diese beiden
Parameter festgelegt. Wenn die Füllung
zunimmt oder die Turbinenaustragstemperatur ansteigt, um der gleichen
Kabinenzufuhrtemperatur zu entsprechen, wird mehr Luft benötigt.
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Anders als beim herkömmlichen
ECS läßt es die
vorliegende Erfindung zu, die Lufttemperatur am Austrag des Wärmetauschers 33 über die
Kabinenzufuhrgrenze hinaus zu erhöhen und dann auf eine niedrigere
Temperatur zu expandieren, die für
eine Kabinenzufuhr in der zweiten Turbine 38 geeignet ist. Dieser
Prozeß,
die Luft zu expandieren, um die Füllung zu absorbieren, und sie
erneut zu expandieren, um der Zufuhrtemperaturgrenze zu entsprechen,
ermöglicht
es dem System 10, eine geringere Strömung zu verwenden, um der gleichen
Füllung
zu entsprechen. Dieser Lösungsweg
wurde beispielsweise im US-Patent 5,086,622 nicht erwähnt und
nicht angewendet. Im vorgenannten Patent wurde die Abzapfluftströmung durch
den Systembedarf in der Form einer Frischluftzufuhr zu einer Kabine
bestimmt, und die Konstruktion war darauf abgestimmt, die Komforterfordernisse
der Passagiere zu erfüllen.
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Unter weiterer Bezugnahme auf die
vorliegende Erfindung sei darauf hingewiesen, daß ein einer ersten Turbine
vorgeschalteter Kondensator, wie beispielsweise im US-Patent 5,086,622
vorgesehen, für
einen Betrieb in großer
Höhe, wo
die Umgebungsluft wenig Wasser enthält, nur von geringem Wert ist. Somit
führt der
Kondensator in großer
Höhe zu
einer Treibstoffvergeudung. Andererseits bleibt die Nützlichkeit
des zweiten Wärmetauschers 33 gemäß der vorliegenden
Erfindung selbst in großen
Höhen erhalten.
Zusätzlich,
und als Folge von Umgebungsbedingungen, wird die erste Turbine im
US-Patent 5,086,622 während
des Flugs nicht benutzt und bewirkt somit eine reine Treibstoffvergeudung.
Im Gegensatz dazu wird die erste Turbine 29 gemäß der vorliegenden
Erfindung während
des Flugs verwendet, um Kühlluft
zu erzeugen. Weiterhin ermöglicht die
besondere Verwendung eines Zwischenüberhitzers und von zwei Turbinen
gemäß der vorliegenden Erfindung
eine ausgeglichene Füllung
zwischen den Turbinen, so daß die
beiden Turbinen 29, 38 zu allen Zeiten betrieben
werden können.
Darüber
hinaus wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Abwärme aus
dem Flüssigkeitskreislaufsubsystem
so zurückgewonnen,
daß diese
Wärme in
nützliche
Energie umgewandelt werden kann.
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Es versteht sich natürlich, daß die vorstehende
Beschreibung bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung betrifft und daß Modifizierungen
vorgenommen werden können,
ohne vom Schutzbereich der Erfindung, wie in den nachstehenden Ansprüchen definiert,
abzuweichen.