DE60110426T2

DE60110426T2 - Klimatisierungssystem mit zwei air-cycle-maschinen

Info

Publication number: DE60110426T2
Application number: DE60110426T
Authority: DE
Inventors: Harold Hipsky
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2000-08-04
Filing date: 2001-07-27
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2021-07-28
Also published as: DE60110426D1; EP1305210A1; JP4906225B2; US6257003B1; WO2002012062A1; EP1305210B1; JP2004506166A; AU2001280852A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Klimatisierungssysteme und betrifft im Spezielleren Luftkreislauf-Klimatisierungssysteme, die wasserdampfhaltige Druckluft für die Zufuhr als aufbereitete Luft aufbereiten.
Hintergrund der Erfindung
Luftkreislauf-Klimatisierungssysteme, die Luft aufbereiten, sind für das Kühlen und/oder die Druckbeaufschlagung von Wärmeverbrauchern, wie z.B. Passagierkabinen und Laderäumen sowohl von kommerziellen als auch von militärischen Flugzeugen, allgemein bekannt. Diese Systeme sind aus mehreren Gründen populär, wie z.B. der aus Luftkreislaufsystemen relativ geringer Größe verfügbaren beträchtlichen Kühlung sowie der Anpassbarkeit derartiger Systeme an mit Gasturbinenmaschinen betriebene Fahrzeuge, wie z.B. Flugzeuge und militärische Landfahrzeuge, wie z.B. Kampfpanzer.
Bei einer typischen Anlage lässt man verdichtete Umgebungsluft, die entweder durch den Kompressorbereich einer Hauptmaschine oder durch den Kompressorbereich eines Hilfsbetriebsaggregates, oder von beiden, bereit gestellt wird, in einer Luftkreislauf-Turbomaschine expandieren, um eine Zufuhr von kühler, frischer Luft für eine oder mehrere Kabinen und/oder Laderäume eines Fahrzeugs zu schaffen.
Ein bekanntes Luftkreislauf-Klimatisierungssystem, das einen Kompressor (36) und ein von einem Paar von Turbinen (24) und (26) über eine gemeinsame Welle (23) angetriebenes Gebläse (22) verwendet, ist in dem US-Patent Nr. 5,086,622 offenbart, das am 11. Februar 1992 für John L. Warner erteilt wurde und auf die Begünstigte der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde. Bei dem System von Warner wird verdichtete Luft in einem primären Wärmetau scher (16) gekühlt, in dem Kompressor (36) verdichtet und dann in einem zusätzlichen Wärmetauscher (40) wieder gekühlt. Das Gebläse (22) treibt einen kühlenden Umgebungsluftstrom durch den primären und den zusätzlichen Wärmetauscher (16) und (40) voran. Nach dem Durchlaufen des primären und des zusätzlichen Wärmetauschers (16) und (40) wird die verdichtete Luft bzw. Druckluft in einem Kondensator (46) weiter gekühlt, der die verdichtete Luft durch Kondensieren von Wasserdampf aus dieser entfeuchtet. Die entfeuchtete verdichtete Luft wird dann durch die Turbine (24) hindurch geleitet, wo man sie expandieren lässt, um die Welle (23) anzutreiben und die verdichtete Luft zu kühlen, so dass sie als Kühlmittel in dem Kondensator (46) verwendbar ist. Die verdichtete Luft wird dann durch die Turbine (26) weiter expandiert, um die Welle (23) anzutreiben und die verdichtete Luft zu kühlen, so dass diese in eine Kabine (26) eingeleitet werden kann. Während dieses System für eine Reihe von Anwendungen mehr als zufrieden stellend ist, beispielsweise für große kommerzielle Flugzeuge, kann es sich möglicherweise nicht um das optimale System für alle Anwendungen, beispielsweise für kleine regionale Flugzeuge, handeln.
Das US-Patent Nr. 5,887,445, erteilt am 30. März 1999 für Murry et al., offenbart ein weiteres Luftkreislauf-Klimatisierungssystem (10), das zwei Luftkreislaufmaschinen (39) und (40) verwendet, die sich unabhängig voneinander drehen. Die Luftkreislaufmaschine (39) beinhaltet einen Kompressor (16) der von einer Hochdruckturbine (24) angetrieben wird, und die Luftkreislaufmaschine (40) beinhaltet ein Gebläse (32), das von einer Niedrigdruckturbine (28) angetrieben wird, um einen Staudruck-Luftstrom durch den primären und den zusätzlichen Wärmetauscher (12, 13) zu ergänzen. Dieses System (10) beinhaltet ferner einen Nacherwärmer (19), einen Kondensator (26) und einen Wasserextraktor (21), die den Austrittsluftstrom zu der Hochdruckturbine (24) entfeuchten. Während das System (10) von Murry et al. seine ihm zugedachte Funktion in zufrieden stellender Weise erfüllen kann, kann für bestimmte Anwendungen der Betrieb des Systems (10) mit einer optimalen Energieverteilung zwischen den Turbinen (24) und (28) erforderlich machen, dass unter normalen Betriebsbedingungen die Austrittsluft durch die Hochdruckturbine (24) bis zu einem Punkt expandiert wird, an dem das kondensierte Wasser in dem Kondensa tor (26) gefriert, so dass in dem Kondensator (26) eine Vereisung entsteht. Dadurch kann es erforderlich sein, den Kondensator (26) derart auszubilden, dass einer solchen Vereisung Rechnung getragen wird, wobei dies zu einer Erhöhung der Größe, des Gewichts, der Kosten und der Komplexität des Kondensators (26) führt.
Offenbarung der Erfindung
Ein Hauptziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten Luftkreislauf-Klimatisierungssystems.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung einer Entfeuchtung in einem Luftkreislauf-Klimatisierungssystem, das unter normalen Betriebsbedingungen optimiert werden kann, ohne dass ein Kondensator notwendig ist, der für ein Gefrieren des kondensierten Wassers aus dem verdichteten Luftstrom ausgebildet ist.
Ein zusätzliches Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Luftkreislauf-Klimatisierungssystems, das in effizienter Weise einen gesteigerten aufbereiteten Luftstrom in einem Flugzeug auf Flughöhe bereitstellen kann.
Nachdem ein Reihe von Zielen ausdrücklich angeführt worden ist, versteht es sich, dass manche Ausführungen der Erfindung möglicherweise nicht alle der ausdrücklich benannten Ziele erreichen.
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zum Aufbereiten von wasserdampfhaltiger Druckluft bzw. verdichteter Luft für die Zufuhr als aufbereitete Luft geschaffen.
In einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren folgende Schritte: weiteres Verdichten der Druckluft in einem Kompressor, Kondensieren lassen und Entfernen von Wasserdampf aus der weiter verdichteten Druckluft, um die weiter verdichtete Druckluft zu entfeuchten, Expandieren lassen der entfeuchteten Luft durch eine erste Turbine, um die entfeuchtete Luft auf eine erste Temperatur abzukühlen, Zurückführen von Wärme aus der weiter verdichteten Druckluft zu der expandierten entfeuchteten Luft in dem Kondensierschritt; und nach dem Zurückführen von Wärme weiteres Expandieren lassen der entfeuchteten Luft durch eine zweite Turbine, um die entfeuchtete Luft auf eine zweite Temperatur abzukühlen und den Kompressor in dem weiteren Verdichtungsschritt ohne Rotationseingriff zwischen der ersten und der zweiten Turbine anzutreiben. Gemäß einem Merkmal beinhaltet das Verfahren den weiteren Schritt, in dem selektiv ein Großteil der weiter verdichteten Druckluft zu der zweiten Turbine geleitet wird, um in dieser zu expandieren, ohne dass der Großteil der weiter verdichteten Druckluft dem Kondensierschritt und dem Expandierschritt der entfeuchteten Luft durch eine erste Turbine unterzogen wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beinhaltet das Verfahren die Schritte, in denen eine erste Luftkreislaufmaschine verwendet wird, die eine erste Turbine beinhaltet, die ein Gebläse antreibt, sowie eine zweite Luftkreislaufmaschine verwendet, die eine zweite Turbine beinhaltet, die einen Kompressor antreibt, wobei man die Druckluft als Erstes durch den Kompressor, als Zweites durch die erste Turbine und als Drittes durch die zweite Turbine strömen lässt, und zwar ohne Rotationseingriff zwischen der ersten und der zweiten Luftkreislaufmaschine. Als ein Merkmal beinhaltet das Verfahren weiterhin den Schritt, in dem selektiv ein Großteil des Druckluftstroms zu der zweiten Turbine geleitet wird, ohne dass man den Großteil des Druckluftstrom durch den Kondensator und die erste Turbine strömen lässt.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Klimatisierungssystem zum Aufbereiten von wasserdampfhaltiger Druckluft für die Zufuhr als aufbereitete Luft geschaffen. Das System weist Folgendes auf: einen Kompressor zum weiteren Verdichten der Druckluft und zum Abgeben der weiter verdichteten Druckluft in das System; einen Kondensator stromabwärts von dem Kompressor zum Empfangen der weiter verdichteten Druckluft und zum Kondensieren zumindest eines Teils des Wasserdampfes in der weiter verdichteten Druckluft, um dem System entfeuchtete Druckluft zuzuführen; eine erste Turbine stromabwärts von dem Kondensator zum Empfangen der entfeuchteten Druckluft und zum Expandieren lassen der entfeuchteten Druckluft, um die entfeuchtete Druckluft abzukühlen, und eine zweite Turbine stromabwärts von der ersten Turbine zum Empfangen der expandierten entfeuchteten Druckluft. Die zweite Turbine ist unabhängig von der Rotation der ersten Turbine drehbar, um die expandierte entfeuchtete Druckluft weiter expandieren zu lassen, um die expandierte entfeuchtete Druckluft abzukühlen und den Kompressor anzutreiben.
Gemäß einem Merkmal beinhaltet das Klimatisierungssystem ferner ein Gebläse, das das von der ersten Turbine angetrieben wird, um einen Kühlluftstrom zu erzeugen, sowie mindestens einen Wärmetauscher stromaufwärts von der ersten Turbine, um Wärme aus der Druckluft und/oder der weiter verdichteten Druckluft in den Kühlluftstrom zurückzuführen.
Gemäß einem Merkmal beinhaltet das Klimatisierungssystem weiterhin ein Umgehungsventil stromaufwärts von dem Kondensator und der ersten Turbine zum selektiven Umleiten eines Großteils der weiter verdichteten Druckluft zu der zweiten Turbine, ohne dass der Großteil der weiter verdichteten Druckluft zuerst durch den Kondensator in der ersten Turbine hindurchgeleitet wird.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Begleitzeichnungen deutlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung eines Luftkreislauf-Klimatisierungssystems gemäß der Erfindung.
Beste Art und Weise zum Ausführen der Erfindung
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung beinhaltet ein Luftkreislauf-Klimatisierungssystem 8 zwei Luftkreislaufmaschinen 9 und 10, die sich unabhängig voneinander drehen, d.h. ohne Rotationseingriff zwischen den Luftkreislaufmaschinen 9 und 10. Die Luftkreislaufmaschine 9 beinhaltet eine Turbine 11, die ein Gebläse 12 über eine gemeinsame Welle 13 antreibt, auf der die Turbine 11 und das Gebläse 12 zur Ausführung einer Rotationsbewegung um eine Achse 14 angebracht sind. Die Luftkreislaufmaschine 10 beinhaltet eine Turbine 15, die einen Kompressor 16 über eine gemeinsame Welle 17 antreibt, auf der die Turbine 15 und der Kompressor 16 zur Ausführung einer Rotationsbewegung um eine Achse 18 angebracht sind. Ferner beinhaltet des Klimatisierungssystem 8 einen primären Wärmetauscher 19 stromaufwärts von dem Kompressor 16, einen zusätzlichen Wärmetauscher 20 stromabwärts von dem Kompressor 16, einen Nacherwärmer 21 stromabwärts von dem zusätzlichen Wärmetauscher 20, einen Kondensator 22 stromabwärts von dem Nacherwärmer 21, einen Wassersammler 24 stromabwärts von dem Kondensator 22, ein Umgehungs-Rückschlagventil 26 sowie drei Umgehungs-Steuerventile 28, 30 und 32. Wie im Folgenden noch ausführlicher erläutert wird, bilden der Nacherwärmer 21, der Kondensator 22, der Wassersammler 24, die Turbine 11 und das Umgehungs-Steuerventil 30 einen Entfeuchtungskreislauf 34 des Klimatisierungssystems 8. Es sind geeignete Kanäle oder Luftschächte 36 vorgesehen, um den Druckluftstrom zwischen den verschiedenen Komponenten des Klimatisierungssystems 8 strömen zu lassen.
Das Gebläse 12, der primäre Wärmetauscher 19 und der zusätzliche Wärmetauscher 20 sind in einem Umgebungsluftkanal 38, wie z.B. einem Staudruck-Luftkanal eines Flugzeugs, positioniert, der einen Kühlluftstrom von Umgebungsluft 39 durch Kühlmittelströmungspassagen 40 und 42 des zusätzlichen und des primären Wärmetauschers 20 bzw. 19 hindurch leitet. Das Gebläse 12 dient zum Ziehen des Umgebungsluftstroms 39 durch die Passagen 40 und 42. In Fällen, in denen es sich bei dem Umgebungsluftstrom 39 um einen Straudruck-Luftstrom handelt, dient das Gebläse 12 zum Ergänzen oder Steigern der Geschwindigkeit des Umgebungsluftstroms 39 durch die Kühlpassagen 40 und 42. In Fällen, in denen kein Straudruck-Luftstrom vorhanden ist, bildet das Gebläse 12 die primäre Quelle zum Erzeugen der Geschwindigkeit des Umgebungsluftstroms durch die Passagen 40 und 42. In Situationen, in denen der Straudruck-Luftstrom eine ausreichende Geschwindigkeit für den Strom der Umgebungsluft durch die Passagen 40 und 42 liefert, ist das Gebläse 12 zum Ergänzen der Geschwindigkeit nicht erforderlich, und es ist ein Umgehungs ventil 44 in dem Kanal 38 vorgesehen, so dass der Umgebungsluftstrom das Gebläse 12 umgehen kann.
In einem Betriebsmodus des Klimatisierungssystems 8 wird wasserdampfhaltige Druckluft 48 von einer Druckluftzufuhr 46, wie z.B. Austrittsluft von einem Kompressorbereich einer Gasturbinenmaschine, durch einen Strömungsweg 50 in dem primären Wärmetauscher 19 hindurch geleitet, wo man diese Luft durch die Umgebungsluft 39 kühlt, die den Kühlweg 42 durchströmt. Der Strömungsweg 50 leitet die Druckluft zu einem Einlass 52 des Kompressors 16. Der Kompressor 16 sorgt für eine weitere Verdichtung der Druckluft 48 und leitet die weiter verdichtete Druckluft 53 durch einen Auslass 54 zu einem Strömungsweg 56 durch den zusätzlichen Wärmetauscher 20. Die weiter verdichtete Druckluft 53 wird durch den externen Umgebungsluftstrom 39 gekühlt, der durch den Kühlweg 40 des zusätzlichen Wärmetauschers 20 hindurch strömt. Nach dem Kühlen in dem zusätzlichen Wärmetauscher 20 wird die weiter verdichtete Druckluft 53 durch einen Strömungsweg 60 in dem Nacherwärmer 21 hindurch geleitet, in dem sie weiter gekühlt wird, bevor sie in einen Strömungsweg 62 in dem Kondensator 22 eintritt. In dem Kondensator 22 wird die Temperatur der weiter verdichteten Druckluft 53 vermindert, um Wasserdampf aus der weiter verdichteten Druckluft zu kondensieren. Dies entfeuchtet die weiter verdichtete Druckluft, die dann zusammen mit dem Kondenswasser zu dem Wassersammler 24 geleitet wird, der das Kondenswasser aus dem Strom sammelt oder entzieht. Während der optimale Betrag des Wasserdampfentzuges von Fall zu Fall variieren kann, ist es bei vielen Anwendungen wünschenswert, zumindest einen Großteil des Wasserdampfes aus der weiter verdichteten Druckluft zu extrahieren, wenn der Entfeuchtungskreislauf 34 aktiv ist. Die entfeuchtete weiter verdichtete Druckluft 63 wird dann durch einen Kühlströmungsweg 64 in dem Nacherwärmer 21 hindurch geleitet, wo die Wärme aus der weiter verdichteten Druckluft 53 in dem Strömungsweg 60 zu der entfeuchteten weiter verdichteten Druckluft 63 zurückgeführt wird. Nach Rückgewinnung der Wärmeenergie, die ursprünglich in dem Nacherwärmer 21 entzogen worden ist, lässt man die entfeuchtete, weiter verdichtete Druckluft 63 dann durch die Turbine 11 expandieren, um das Gebläse 12 anzutreiben und einen gekühlten, expandierten Druckluftstrom 65 für das System 8 bereitzustellen.
Vorzugsweise ist der Nacherwärmer 21 dazu ausgebildet, eine ausreichende Menge an Wärme zu der entfeuchteten weiter verdichteten Druckluft 63 zurückzuführen, um jegliche restliche, in dem Strom verbliebene Kondenswassertröpfchen zu verdampfen und um die Temperatur des Wasserdampfes in dem Strom auf eine ausreichend hohe Temperatur zu erhöhen, um ein Vereisen in der Turbine 11 zu verhindern. Nach Verlassen der Turbine 11 wird die expandierte Druckluft 65 durch einen Kühlströmungsweg 66 in dem Kondensator 22 hindurch geleitet, in dem Wärme einschließlich der latenten Verdunstungswärme aus der den Weg 62 durchströmenden weiter verdichteten Druckluft 53 zu der expandierten Druckluft 65 zurückgeführt wird, die den Kühlweg 66 durchströmt. Nach Rückgewinnung von Wärmeenergie, die ursprünglich in dem Kondensator 22 extrahiert wurde, wird die expandierte Druckluft 65 dann zu der Turbine 15 geleitet. Die expandierte Druckluft wird in der Turbine 15 weiter expandiert, um die expandierte Druckluft 65 abzukühlen und den Kompressor 16 anzutreiben. In diesem Zusammenhang versteht es sich, dass die Turbine 11 und das Gebläse 12 sich unabhängig von der Rotation der Turbine 15 und des Kompressors 16 drehen, d.h. dass kein Rotationseingriff zwischen der ersten und der zweiten Luftkreislaufmaschine 9 und 10 vorhanden ist. Die weiter expandierte Druckluft verlässt die Turbine 15 als aufbereitete Luft 67, die einem Verbraucher und/oder zusätzlichen Komponenten für eine weitere Aufbereitung zugeführt werden kann.
Die Umgehungs-Steuerventile 30 und 32 können durch ein geeignetes Steuersystem (nicht gezeigt) moduliert werden, um das Expansionsverhältnis und die Austrittstemperaturen der Turbinen 11 bzw. 15 zu steuern. In dieser Hinsicht kann es bei manchen Anwendungen bevorzugt sein, dass die Ventile 30 und 32 in der Lage sind, unter bestimmten Betriebsbedingungen für eine Umleitung des gesamten Druckluftstroms zu sorgen, um selektiv eine oder bei der Luftkreislaufmaschine 9 und 10 zu deaktivieren.
Das Umgehungs-Rückschlagventil 26 ermöglicht der Druckluft 48 ein Umgehen des Kompressors 16, wenn der Kompressor 16 inaktiv ist oder die Druckluft 48 nur eine nominale zusätzliche Druckbeaufschlagung erhält.
Bei den meisten Anwendungen ist für einen optimierten Betrieb des Klimatisierungssystems 8 für den Kompressor 16 nicht mehr Energie als für das Gebläse 12 notwendig, und daher entzieht die Turbine 15 dem Druckluftstrom mehr Energie als die Turbine 11, und das Expansionsverhältnis über die Turbine 11 ist geringer als das Expansionsverhältnis über die Turbine 15. Zum Beispiel ist es bei manchen Anwendungen optimal, dass die Turbine 11 20 % bis 40 % der dem Druckluftstrom durch Expansion entzogenen Energie erhält, während die Turbine 15 den Rest der dem Druckluftstrom durch Expansion entzogenen Energie erhält. Durch Verwendung der Turbine 11 mit ihrem typischerweise niedrigeren Expansionsverhältnis in dem Entfeuchtungskreislauf 34 kann das System 8 dafür sorgen, die expandierte Druckluft 65 von der ersten Turbine 11 auf einer ausreichend hohen Temperatur zu halten, um ein Vereisen in dem Strömungsweg 66 zu dem Kondensator 22 zu vermeiden. Während es bevorzugt ist, das System 8 unter normalen Betriebsbedingungen so zu konfigurieren, dass ein Vereisen in dem Kondensator 22 vermieden ist, kann es bei einigen Anwendungen vorteilhaft sein, ein Vereisen in dem Kondensator im normalen Betrieb zuzulassen sowie einen Kondensator vorzusehen, der einer solchen Vereisung Rechnung tragen kann.
Indem ferner die das Gebläse 12 antreibende Turbine 11 dem Entfeuchtungskreislauf 34 zugeordnet ist und weiterhin das Umgehungs-Steuerventil 28 vorgesehen ist, kann das System 8 Änderungen in den Umgebungs- und Betriebsbedingungen Rechnung tragen, die ansonsten die Leistungsfähigkeit und die Effizienz des Systems insgesamt vermindern würden. Wenn z.B. der Druck der Druckluft 48 von der Druckluftzufuhr 46 unzulänglich ist, um eine angemessenen Massenströmungsrate der aufbereiteten Luft 67 aus dem Klimatisierungssystem 8 zu schaffen, kann das Umgehungs-Steuersystem 28 durch ein geeignetes Steuersystem moduliert werden, um einen Teil oder nahezu die gesamte (bis zu etwa 95 %) weiter verdichtete Druckluft 53 um den Entfeuchtungskreislauf 34 herumzuleiten, indem die weiter verdichtete Druckluft 53 zu der Turbine 15 geleitet wird, ohne dass man die weiter verdichtete Druckluft 53 zuerst durch den Entfeuchtungskreislauf 53 leitet. Bei Anwendungen in Flugzeugen ist es typischerweise wünschenswert, das Umgehungs-Steuerventil 28 zum Umgehen eines Großteils der weiter verdichteten Druckluft 53 zu konfigu rieren, wenn sich das Flugzeug auf Reisehöhe befindet, wo der Druck und die Feuchtigkeit der Druckluft 48 aufgrund des niedrigen Drucks und der niedrigen Feuchtigkeit der externen Umgebungsluft niedrig sind. Indem die weiter verdichtete Druckluft 53 den Entfeuchtungskreislauf 34 umgeht, erfährt die Druckluft 53 keinen in Verbindung mit dem Entfeuchtungskreislauf 34 auftretenden Druckabfall, und es kann eine höhere Massenströmungsrate der aufbereiteten Luft 67 aus dem System 8 erzielt werden. Ferner wird dieses Phänomen bei den meisten Anwendungen durch die weniger restriktive Düsenströmungsfläche der Turbine 15 gesteigert, die aus deren genannten höheren Expansionsverhältnis resultiert. Zum Beispiel beträgt in vielen Fällen für eine optimale Leistungsfähigkeit die Düsenströmungsfläche der Turbine 15 etwa das Doppelte der Düsenströmungsfläche der Turbine 11. Dies ermöglicht eine höhere Masse und Strömungsrate (etwa 15 % im Vergleich zu dem System 8 ohne Umgehung) durch das System unter Bedingungen, wenn der Druckluft-Zuführdruck niedrig ist, wie z.B. auf Reisehöhe bei einem Flugzeug.
Während die Zeichnung eine bevorzugte Ausführungsform des Klimatisierungssystems 8 darstellt, versteht es sich für die Fachleute, dass es viele mögliche Ausführungsarten der Erfindung gibt. Zum Beispiel ist es zwar bevorzugt, sowohl den primären Wärmetauscher 19 als auch den zusätzlichen Wärmetauscher 20 zu haben, jedoch kann es in manchen Fällen von Vorteil sein, einen der Wärmetauscher 19 oder 20 zu eliminieren. Als ein weiteres Beispiel ist es zwar bevorzugt, dass das Gebläse 12 durch die Welle 13 von der Turbine 11 direkt angetrieben wird und dass der Kompressor 16 durch die Welle 17 von der Turbine 15 direkt angetrieben wird, jedoch kann es in manchen Fällen von Vorteil sein, einen anderen Antriebsmechanismus, wie z.B. einen Getriebezug, an Stelle der beiden Antriebswellen 13 und 17 vorzusehen. Gemäß noch einem weiteren Beispiel ist es zwar bevorzugt, dass das System den Nacherwärmer 21 beinhaltet, jedoch kann es bei einigen Systemen von Vorteil sein, auf den Nacherwärmer 21 zu verzichten. In ähnlicher Weise ist es zwar bevorzugt, ein Gebläse 12 vorzusehen, das den Umgebungsluftstrom durch die Wärmetauscher 19 und 20 ergänzt, jedoch kann es in manchen Fällen von Vorteil sein, auf das Gebläse 12 zu verzichten und die von der Turbine 11 entzogene Energie zum Antreiben einer weiteren Komponente, wie z.B. eines Generators, zu ver wenden. Als weiteres Beispiel ist der Strömungsweg 40 des zusätzlichen Wärmetauschers 20 zwar stromaufwärts von dem Strömungsweg 42 des primären Wärmetauschers dargestellt, jedoch kann es bei manchen Anwendungen von Vorteil sein, den Strömungsweg 40 stromabwärts von dem Strömungsweg 42 vorzusehen oder die Strömungswege parallel zueinander anstatt in Reihe vorzusehen. In ähnlicher Weise ist es zwar bevorzugt, Umgebungsluft zum Kühlen des primären und des zusätzlichen Wärmetauschers 19 und 20 vorzusehen, jedoch kann es in manchen Fällen vorteilhaft sein, ein anderes Kühlmedium zu verwenden, beispielsweise einen Brennstoff-Strom. Während der Nacherwärmer 21, der Kondensator 22 und der Wassersammler 24 als separate Komponenten dargestellt sind, ist es auch möglich, eine oder mehrere dieser Komponenten gemeinsam in eine einheitliche Konstruktion zu integrieren.
Es ist zu erkennen, dass das offenbarte Luftkreislauf- und Klimatisierungssystem 8 eine Optimierung jeder der Luftkreislaufmaschinen 9 und 10 ermöglicht, die für bestimmte Anwendungen von Vorteil sein kann, beispielsweise für kleine regionale Flugzeuge. Die Optimierung der Luftkreislaufmaschinen 9 und 10 kann eine beträchtliche Verbesserung des Leistungsvermögens des Kondensierzyklus für solche Anwendungen erbringen, und zwar im Vergleich zu dem konventionelleren Klimatisierungssystem, wie es in dem US-Patent 5 086 622 von Warner offenbart ist. Zum Beispiel kann das System 8 die Verwendung eines relativ kleinen Nabendurchmessers für die Turbine 11 ermöglichen, wodurch wiederum höhere Schaufelhöhen und eine gesteigerte Effizienz ermöglicht werden. Als weiteres Beispiel sei erwähnt, dass das System 8 eine Verminderung der Abgabeverluste der Turbine 11 ermöglichen kann, so dass eine höhere Turbineneffizienz für die Turbine 11 im Vergleich zu einer Luftkreislaufmaschine mit vier Rädern geschaffen wird, wie diese in dem US-Patent Nr. 5 086 622 angegeben ist.

Claims

Klimatisierungssystem zum Aufbereiten von wasserdampfhaltiger Druckluft für die Zufuhr als aufbereitete Luft, wobei das System Folgendes aufweist: einen Kompressor (16) zum weiteren Verdichten der Druckluft und zum Abgeben der weiter verdichteten Druckluft in das System; einen Kondensator (22) stromabwärts von dem Kompressor (16) zum Empfangen der weiter verdichteten Druckluft und zum Kondensieren zumindest eines Teils des Wasserdampfes in der weiter verdichteten Druckluft, um dem System entfeuchtete Druckluft zuzuführen; eine erste Turbine (11) stromabwärts von dem Kondensator (22) zum Empfangen der entfeuchteten Druckluft und zum Expandieren lassen der entfeuchteten Druckluft, um die entfeuchtete Druckluft abzukühlen; und eine zweite Turbine (15) stromabwärts von der ersten Turbine (11) zum Empfangen der expandierten entfeuchteten Druckluft, wobei die zweite Turbine (15) unabhängig von der Rotation der ersten Turbine (11) drehbar ist, um die expandierte entfeuchtete Druckluft weiter expandieren zu lassen, um die expandierte entfeuchtete Druckluft abzukühlen und den Kompressor (16) anzutreiben.
Klimatisierungssystem nach Anspruch 1, weiterhin mit einem Wassersammler (24) stromaufwärts von der ersten Turbine (11) zum Entfernen von kondensiertem Wasser aus dem Strom der entfeuchteten Druckluft zu der ersten Turbine (11).
Klimatisierungssystem nach Anspruch 2, weiterhin mit einem Wärmetauscher (21) stromabwärts von dem Wassersammler (24) und stromaufwärts von der ersten Turbine (11) zum Übertragen von Wärme aus der weiter verdichteten Druckluft, die zu dem Kondensator (22) strömt, auf die entfeuchtete Druckluft.
Klimatisierungssystem nach Anspruch 1, weiterhin mit: einem Gebläse (12), das von der ersten Turbine (11) angetrieben wird, um einen Kühlluftstrom zu erzeugen; und mindestens einem Wärmetauscher (21) stromaufwärts von der ersten Turbine (11), um Wärme aus der Druckluft und/oder der weiter verdichteten Druckluft in den Kühlluftstrom zurückzuführen.
Klimatisierungssystem nach Anspruch 1, weiterhin mit einem Umgehungsventil (30) stromaufwärts von dem Kondensator (22) und der ersten Turbine (11) zum selektiven Umleiten eines Großteils der weiter verdichteten Druckluft zu der zweiten Turbine (15), ohne dass der Großteil der weiter verdichteten Druckluft zuerst durch den Kondensator (22) und die erste Turbine (11) hindurchgeleitet wird.
Verfahren zum Aufbereiten von wasserdampfhaltiger Druckluft für die Zufuhr als aufbereitete Luft, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: weiteres Verdichten der Druckluft in einem Kompressor (16); Kondensieren lassen und Entfernen von Wasserdampf aus der weiter verdichteten Druckluft, um die weiter verdichtete Druckluft zu entfeuchten; Expandieren lassen der entfeuchteten Luft durch eine erste Turbine (11), um die entfeuchtete Luft auf eine erste Temperatur abzukühlen; Zurückführen von Wärme aus der weiter verdichteten Druckluft zu der expandierten entfeuchteten Luft in dem Kondensierschritt; und nach dem Zurückführen von Wärme weiteres Expandieren lassen der expandierten entfeuchteten Luft durch eine zweite Turbine (15), um die expandierte entfeuchtete Luft auf eine zweite Temperatur abzukühlen und den Kompressor (16) in dem weiteren Verdichtungsschritt ohne Rotationseingriff zwischen der ersten und der zweiten Turbine anzutreiben.
Verfahren nach Anspruch 6, weiterhin mit dem Schritt, in dem die Druckluft und/oder die weiter verdichtete Druckluft vor dem Kondensierschritt in mindestens einem Wärmetauscher (21) abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, weiterhin mit dem Schritt, in dem ein Gebläse (12) mittels der ersten Turbine (11) angetrieben wird, um bei dem Kühlschritt einen Kühlluftstrom durch den Wärmetauscher (21) zu ziehen.
Verfahren nach Anspruch 6, weiterhin mit dem Schritt, in dem selektiv ein Großteil der weiter verdichteten Druckluft zu der zweiten Turbine (15) geleitet wird, um in dieser zu expandieren, ohne dass der Großteil der weiter verdichteten Druckluft dem Kondensierschritt und dem Expandierschritt der entfeuchteten Luft durch eine erste Turbine (11) unterzogen wird.