DE602004005106T2

DE602004005106T2 - Klimatisierungssystem

Info

Publication number: DE602004005106T2
Application number: DE602004005106T
Authority: DE
Inventors: Richard James Axe; Richard Grant Hunt
Original assignee: Honeywell Normalair Garrett Holdings Ltd
Current assignee: Honeywell UK Ltd; Honeywell Aerospace BV
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2024-06-22
Also published as: EP1491443A1; GB0314757D0; EP1491443B1; DE602004005106D1; US20050166629A1; ATE356023T1

Description

Beschreibung der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Luftzyklusklimaanlage und insbesondere (aber nicht ausschließlich) auf eine Luftzyklusklimaanlage zur Konditionierung der Kabinenumluft in einem Flugzeug. Dieser Hintergrund der Erfindung wird zum Beispiel vom Europäischen Patent EP-B-0542909 dargestellt.
Es wurden verschiedene Vorschläge für eine solche Klimaanlage vorgelegt, wie zum Beispiel unter unserem vorherigen Internationalen Patent, Anmeldungsnummer WO-A-03/086859, das einen Belastungswärmeaustauscher beinhaltet, an den die Kabinenumluft zur Kühlung durch eine erweiterte und kühlere Betriebsluft von einer ersten Expansionsturbine geleitet wird, woraufhin die Betriebsluft außerdem von einer zweiten Expansionsturbine erweitert und abgekühlt wird. Die abgekühlte Kabinenumluft und die erweiterte und abgekühlte Betriebsluft von der zweiten Expansionsturbine werden dann vermischt, und die vermischte Luft wird in die Kabine eingebracht.
Eine solche Anlage funktioniert zufriedenstellend, wenn das Volumen der Kabinenumluft ausreichend hoch ist, aber bei niedrigen Umluftströmen ist die in unserer internationalen Patentanmeldung vorgeschlagene Anlage auch bei besonders warmer Kabinenluft leistungsschwach, da vom Belastungswärmeaustauscher nur unzureichende Energie von der Kabinenumluft für die zweite Expansionsturbine wiedergewonnen wird, um einen der ersten Expansionsturbine vorgeschalteten Verdichter anzutreiben, der zur Luftkühlung erforderlich ist.
Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung stellen wir eine Luftzyklusklimaanlage nach Anspruch 1 bereit.
Somit kann durch Bereitstellung des Wärmeaustauschers Wärme von der ersten Expansionsturbine auf die erweiterte Luft übertragen werden, um die Leistungsfähigkeit der Anlage zu verbessern, insbesondere, wenn die zweite Expansionsturbine einen Verdichter der Betriebsluft antreibt, der der ersten Expansionsturbine vorgeschaltet ist, und dieser Verdichter setzt die Betriebsluft unter Druck.
Der Wärmeaustauscher, in dem eine Belastungswärme der Kabinenumluft von der Umluftschleife mit der kühleren Betriebsluft von der ersten Expansionsturbine ausgetauscht wird, könnte dem Wärmeaustauscher, an den die heiße, unter Druck stehende und verdichtete Betriebsluft geleitet wird, nachgeschaltet sein, könnte ihm anderenfalls auf Wunsch aber auch vorgeschaltet sein. Sowohl der Wärmeaustauscher, an den die heiße Druckluft geleitet wird, als auch der Belastungswärmeaustauscher kann als kombinierte Vorrichtung oder, wenn gewünscht, als separate Vorrichtung bereitgestellt werden.
Wünschenswerterweise wird der Anteil der heißen Druckluft, die stromaufwärts von der ersten Expansionsturbine dem Wärmeaustauscher zugeführt wird, durch ein Ventil geregelt, was von der Durchflussrate und der Temperatur der Umluft in der Umluftschleife abhängig ist.
Wünschenswerterweise beinhaltet die Anlage außerdem einen zweiten Verdichter, der dem ersten Verdichter nachgeschaltet und der ersten Expansionsturbine vorgeschaltet ist, um die Betriebsluft weiterhin unter Druck zu setzen, und der zweite Verdichter kann durch Energie betrieben werden, die durch die erste Expansionsturbine von der Betriebsluft wiedergewonnen wurde. Die Druckluft vom zweiten Verdichter kann in einem Sekundärwärmeaustauscher abgekühlt werden, bevor sie an die erste Expansionsturbine geleitet wird. Besonders wenn die Anlage zur Verwendung in einem Flugzeug dient, kann die Kühlluftströmung für den zweiten Wärmeaustauscher eine umgebende Staudruckluft sein, wenn das Flugzeug fliegt, oder sie kann eine Gebläseluft sein, wenn das Flugzeug auf dem Boden ist.
In jedem Fall ist man sich bewusst, dass die heiße Druckluft einen beträchtlichen Wassergehalt haben könnte, und dass es nicht wünschenswert ist, dass diese feuchte Luft in die Kabine eingebracht wird, besonders wenn es sich dabei um eine Kabine handelt, in der evtl. Fluggäste befördert werden. Somit könnte der Wärmeaustauscher ein Kondensations-Wärmeaustauscher sein, so dass Kondensat, das durch das Abkühlen der heißen Druckluft durch die kühlere erweiterte Luft von der ersten Expansionsturbine entsteht, von der Anlage entfernt werden kann.
Gemäß eines zweiten Aspekts der Erfindung stellen wir ein Flugzeug bereit, das eine Klimaanlage gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung hat.
Nun werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, wobei auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen wird, wobei
1 eine schematische Darstellung einer Klimaanlage gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist;
2 eine veranschaulichende Ansicht eines Flugzeugs ist, das die Klimaanlage von 1 hat.
Bezug nehmend auf die Zeichnungen beinhaltet eine Klimaanlage (10) zur Konditionierung der zirkulierenden Luft von einer Kabine (11), die in diesem Beispiel Kabine C für Flugzeug A ist, einen Belastungswärmeaustauscher (12), an den die Kabinenumluft in einer Umluftschleife (13) geleitet wird, und an dem die Belastungswärme der Kabinenumluft an einer vorgeschalteten ersten Expansionsturbine (14) in kühlere, unter Druck stehende Betriebsluft verwandelt wird. Die abgekühlte Kabinenumluft wird dann an einen Mischkasten (15) oder einer anderen Mischvorrichtung zugeführt, und dort wird die Kabinenluft mit der kalten, erweiterten Betriebsluft von einer zweiten Expansionsturbine (16) vermischt, an die die Betriebsluft vom Belastungswärmeaustauscher (12) geleitet wird.
Heiße, unter Druck stehende Betriebsluft wird der ersten Expansionsturbine (14) von einem Verdichter der Stufe 2, der einen ersten Verdichter (18), an den die Luftversorgung S geleitet werden kann, und einen zweiten Verdichter (19) beinhaltet, zugeführt. Die Betriebsluftversorgung S könnte Druckluft sein, die in einer Verdichterstufe des Triebwerks E von einer Gasturbine des Flugzeugs A abgezapft wurde, obwohl die Betriebsluftversorgung in einem anderen Anwendungsbereich von anderer Stelle abgeleitet werden könnte.
Der erste Verdichter (18) wird auf einer gemeinsamen Welle (20) getragen, da die zweite Expansionsturbine (16) und die Welle (20) von der Turbine (16) angetrieben werden, wenn Energie quer über die Turbine (16) von der heißen, unter Druck stehenden Betriebsluft, die dahin zugeführt wurde, wiedergewonnen wird.
Der zweite Verdichter (19) wird auf einer gemeinsamen Welle (21) als erste Expansionsturbine (14) getragen und von der Turbine (14) angetrieben, wenn Energie quer über die Turbine (14) von der heißen, unter Druck stehenden Betriebsluft, die dahin zugeführt wurde, wiedergewonnen wird.
Zwischen der ersten Expansionsturbine (14) und dem Belastungswärmeaustauscher (12) befindet sich ein Wasserabscheider (23) einer mechanischen Art, wobei zum Beispiel eine durchströmende Luft eingeengt wird und somit wirbelt und durch Zentrifugalkraft Wasserpartikel von der Luft auf die externe Oberfläche eines Abscheiders ablagert, von dem aus das Wasser entfernt werden kann.
Im Fall, dass die Strömung der Kabinenluft an der Umluftschleife (13) entlang gering ist, besonders wenn die Kabinenluft sehr warm ist, kann evtl. nur unzureichende Energie im Belastungswärmeaustauscher (12) und somit quer über die zweite Turbine (16) wiedergewonnen werden, um den ersten Verdichter (18) wirksam zu betreiben, weshalb eine zusätzliche Energie, wie z. B. ein Elektromotor, erforderlich sein könnte.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jedoch ein Wärmeaustauscher (25) bereitgestellt, an den ein Anteil der heißen Druckluft vom vorgeschalteten Bereich der ersten Expansionsturbine (14) an einer Linie entlang zugeführt wird, die in der Zeichnung an Position (26) angezeigt wird.
Bei der spezifischen Vorrichtung mit zwei Verdichtern in diesem Beispiel wird diese heiße Druckluft einer Hauptzuleitung (27) zwischen dem ersten (18) und zweiten Verdichter (19) entnommen, obwohl sie in einem anderen Beispiel von der nachgeschalteten Seite des zweiten Verdichters (19) entnommen werden kann.
Der Wärmeaustauscher (25), an den die heiße Druckluft geleitet wird, befindet sich in diesem Beispiel zwischen der ersten Expansionsturbine (14) und dem Belastungswärmeaustauscher (12), und die gekühlte, erweiterte Betriebsluft von der ersten Expansionsturbine (14) wird somit durch die heiße Druckluft im Wärmeaustauscher (25) erwärmt. Die somit erwärmte erweiterte Betriebsluft, die immer noch kühler als die Kabinenumluft in der Umluftschleife (13) ist, wird dem Belastungswärmeaustauscher (12) zugeführt, um die Kabinenumluft abzukühlen, und wird dann zur zusätzlichen Erweiterung und Abkühlung an die zweite Expansionsturbine (16) geleitet. Gemäß der Erfindung wird die abgekühlte, unter Druck stehende Betriebsluft vom Wärmeaustauscher (25) jedoch mit der erwärmten, erweiterten Luft vom Belastungswärmeaustauscher (12) kombiniert, wie an Position (29) angezeigt, so dass die kombinierten Betriebsluftströmungen an die zweite Expansionsturbine (16) geleitet werden.
Die abgekühlte, unter Druck stehende Betriebsluft stellt somit zusätzliche Energie bereit, die quer über der zweite Expansionsturbine (16) wiedergewonnen wird, so dass die zweite Expansionsturbine (16) den ersten Verdichter (18) leistungsfähiger antreibt und somit die eingehende abgezapfte Luft stärker unter Druck setzen kann, um die Kühlleistung der Anlage (10) als Ganzes zu verbessern.
Die somit im Wesentlichen abgekühlte Betriebsluft von der zweiten Expansionsturbine (16) wird dem Mischkasten (15) zugeführt, in dem sie mit der abgekühlten Kabinenumluft in der Schleife (13) vor dem Einbringen in die Kabine (11) gemischt wird. Wenn die Luft vom Mischkasten (15) zu kühl ist, um in die Kabine (11) eingebracht zu werden, kann die Temperatur der Luft auf Wunsch in einem anderen Wärmeaustauscher erhöht werden, dem die heiße Druckluft vom Verdichter (18), in 19 Stufen der Anlage (10) oder durch Mischen der übermäßig kühlen Luft mit dieser heißen Luft zugeführt werden kann.
Im Wärmeaustauscher (25) kann die heiße Druckluft vom vorgeschalteten Bereich der ersten Expansionsturbine (14) wesentlich abgekühlt werden, damit in der heißen Druckluft vorhandenes Wasser aus der Betriebsluft kondensiert wird. Der Wärmeaustauscher (25) ist deshalb vorzugsweise ein Kondensations-Wärmeaustauscher, durch den dieses Kondensat von der Anlage (10) entfernt werden kann, wie zum Beispiel durch Linie (29) angezeigt.
Zwischen dem zweiten Verdichter (19) und der ersten Expansionsturbine (14) befindet sich ein Sekundärwärmeaustauscher (30), in dem die unter Druck stehende heiße Luft vom zweiten Verdichter (19) durch einen kühlenden Luftstrom abgekühlt werden kann. Beim fliegenden Flugzeug kann dieser kühlende Luftstrom Staudruckluft genannt werden, die aufgrund der Bewegung des Flugzeugs durch die Luft strömen kann, aber am Boden wird diese Strömung durch ein Gebläse oder Ähnliches bereitgestellt. In jedem Fall wird die Leistungsfähigkeit der Abkühlung der ersten Expansionsturbine (14) durch Abkühlen der Druckluft vor ihrer Zuführung zur ersten Expansionsturbine (14) verbessert, und es kann eine optimale Energie von der Druckluft, die quer über die Turbine (14) strömt, wiedergewonnen werden.
Verschiedene Modifizierungen können durchgeführt werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
Obwohl zum Beispiel die Bereitstellung des Belastungswärmeaustauschers (12) wünschenswert ist, ist er in einer anderen Ausführungsform evtl. nicht erforderlich, aber die Kabinenumluft in der Umluftschleife (13) wird dann einfach durch Mischen mit kühler, erweiterter Luft von der zweiten Expansionsturbine (16) abgekühlt.
Wenn ein Belastungswärmeaustauscher (12) bereitgestellt wird, kann der Wärmeaustauscher (25), an den die heiße, unter Druck stehende Betriebsluft vom vorgeschalteten Bereich der ersten Expansionsturbine (14) zugeführt wird, im nachgeschalteten Bereich des Belastungswärmeaustauschers (12) positioniert werden, obwohl das eine weniger wirksame Wasserabscheidung von der heißen, unter Druck stehenden Betriebsluft bedeuten könnte.
In einer anderen Ausführungsform ist evtl. kein Verdichter mit 2 Stufen erforderlich, sondern es könnte ein einfacher Verdichter, der vorzugsweise von der zweiten Expansionsturbine (16) angetrieben wird, bereitgestellt werden.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, befindet sich in der Leitung vom Wärmeaustauscher (25) zur Position 29 ein Ventil (32), wobei der abgekühlte Druckluftstrom mit dem Betriebsluftstrom vom Belastungswärmeaustauscher (12) kombiniert wird. Der Öffnungsgrad des Ventils (32) kann eingestellt werden, wird aber vorzugsweise dynamisch eingestellt, wie zum Beispiel durch eine Systemsteuerung, um den Anteil der heißen Druckluft, die an den Wärmeaustauscher (25) geleitet wird und mit der erweiterten Betriebsluft vom Belastungswärmeaustauscher (12) kombiniert werden soll, zu regeln, was von der Durchflussrate der Umluft in der Umluftschleife (13) und der Temperatur der Umluft abhängig ist. Das Regulierventil (32) kann auch anderswo bereitgestellt werden, wie zum Beispiel in der Leitung (26) zwischen dem ersten Verdichter (18) und dem Wärmeaustauscher (25).
Obwohl die Erfindung speziell in Bezug auf eine Klimaanlage für ein Flugzeug beschrieben wurde, kann sie auch auf andere Anwendungsbereiche angewandt werden, in denen die Klimaanlage (10) zur Konditionierung der Umluft von einer Kabine, in der eine Belastungswärme vorhanden ist, bereitgestellt wird.
Im Beispiel, das in den Zeichnungen aufgeführt ist, werden der Wärmeaustauscher (25) und der Belastungswärmeaustauscher (12) durch eine gemeinsame Vorrichtung bereitgestellt, könnten auf Wunsch aber auch separate Vorrichtungen sein.
Die beschriebene Klimaanlage (10) ist eine teilweise geschlossene Anlage, in der ein Teil der Luft in der Kabine (11) durch konditionierte Luft von der Versorgung S ersetzt wird, wobei einige Vorrichtungen, wie zum Beispiel die Entlüftungsöffnung V von Kabine (11), bereitgestellt werden müssen, um einen Teil der Luft von der Anlage (10) an die Umgebungsluft zu entlüften, um den Luftdruck in der Kabine (11) der Anlage (10) innerhalb der zulässigen Grenzen aufrechtzuerhalten.

Claims

Eine Luftzyklusklimaanlage(10) zur Konditionierung der zirkulierenden Luft von einer Kabine (11), und diese Anlage (10) beinhaltet eine Kabinenumluftschleife (13), eine erste Expansionsturbine (14), an die heiße, unter Druck stehende Betriebsluft geleitet wird, einen Belastungswärmeaustauscher (12), in dem eine Belastungswärme der Kabinenumluft der Umluftschleife (13) mit kühlerer Betriebsluft von der ersten Expansionsturbine (14) ersetzt wird, einen Wärmeaustauscher (25), an den ein Anteil der heißen, unter Druck stehenden Betriebsluft stromaufwärts von der ersten Expansionsturbine (14) bereitgestellt wird, und in dem die Wärme mit der kühleren, erweiterten Luft von der ersten Expansionsturbine (14) ersetzt wird, wobei die Betriebsluft vom Wärmeaustauscher (25) durch die erste Expansionsturbine (14) erweitert wird, und wobei die abgekühlte, unter Druck stehende Betriebsluft vom Wärmeaustauscher (25) kombiniert wird, bevor die kombinierten Luftströme an eine zweite Expansionsturbine (16) geleitet werden. Die Anlage (10) beinhaltet auch eine Mischvorrichtung (15), an die die Kabinenumluft von der Schleife (13) und die gekühlten kombinierten Arbeitsluftströme von der zweiten Expansionsturbine (16) gemischt werden, bevor sie in die Kabine (11) geleitet werden.
Eine Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Expansionsturbine (16) einen Verdichter (18) der Betriebsluft antreibt, der der ersten Expansionsturbine (14) vorgeschaltet ist.
Eine Anlage nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Belastungswärmeaustauscher (12) dem Wärmeaustauscher (25), an den die heiße, unter Druck stehende Betriebsluft geleitet wird, nachgeschaltet ist.
Eine Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der heißen Druckluft, die vom vorgeschalteten Bereich der ersten Expansionsturbine (14) zum Wärmeaustauscher geleitet wird, durch ein Ventil (32) geregelt wird, was von der Durchflussrate und Temperatur der zirkulierenden Luft in der Umluftschleife (13) abhängig ist.
Eine Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (10) einen zweiten Verdichter (19) beinhaltet, der dem ersten Verdichter (18) nachgeschaltet, aber der ersten Expansionsturbine (14) vorgeschaltet ist, um die Betriebsluft weiter unter Druck zu setzen.
Eine Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verdichter (19) durch Energie angetrieben wird, die durch die erste Expansionsturbine (14) von der Betriebsluft wiedergewonnen wurde.
Eine Anlage nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft vom zweiten Verdichter (19) in einem sekundären Wärmeaustauscher (30) abgekühlt wird, bevor sie an die erste Expansionsturbine (14) geleitet wird.
Eine Anlage nach Anspruch 7, die in einem Flugzeug (A) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlluftströmung für den Sekundärwärmeaustauscher (30) Umgebungsluft ist, wenn das Flugzeug (A) fliegt, und Gebläseluft, wenn das Flugzeug (A) auf dem Boden ist.
Eine Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher (25) ein Kondensations-Wärmeaustauscher ist, so dass das aus dem Abkühlen der heißen Druckluft durch die kühlere erweiterte Luft entstandene Kondensat von der ersten Expansionsturbine (14) von der Anlage entfernt wird (10).
Ein Flugzeug (A) mit einer Klimaanlage (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.