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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein verbessertes Verfahren
zum Aufbereiten von Wasserdampf enthaltender Druckluft, bei dem
Zweiwellen-Untersysteme in Serie miteinender eingesetzt sind, wobei
die Wirksamkeit und die Flexibilität erhöht werden.
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Klimaanlagen
werden eingesetzt, um eine Zufuhr klimatisierter Luft für einen
geschlossenen Raum bereitzustellen, wie beispielsweise eine Flugzeugkabine
oder ein Cockpit. Bislang wurde eine Luftzyklus-Klimaanlage typischerweise
mit einem Strom innerhalb eines Düsentriebwerks abgezweigter
Luft betrieben, der einer Zwischen- oder Hochdruckstufe entnommen
wurde, wobei das Triebwerk Mehrfach-Druckstufen aufweist. Die abgezweigte Luft
ist gewöhnlich
in einem Primär-Wärmetauscher vorgekühlt worden,
wobei die Wärme
an RAM-Luft abgegeben und dann einem Verdichter zugeführt wird.
Nach dem Verdichten wurde die Luft durch eine Reihe von Wärmetauschern
und Kondensatoren geleitet. Dann wurde die Luft typischerweise mit
einer Turbine expandiert, die mechanisch mit dem Verdichter im Eingriff
steht. Schließlich
kann die Luft in die Kabine eingeleitet werden.
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Frühere Luftzyklus-Klimaanlagen-Konstruktionen
beinhalteten Hochdruck-Wassertrennzyklen mit 2-, 3- und 4-Rad-Urladern. Der
allgemeine Unterschied zwischen diesen drei Konstruktionen liegt
in der Anzahl der sogenannten Räder,
die mechanisch miteinander im Eingriff stehen. Alle drei dieser
Urlader-Konstruktionen
verwenden typischerweise einen Wiedererhitzer und einen Kondensator-Wärmetauscher,
um die abgezweigte Luft jeweils vorzukühlen und dann den darin enthaltenen
Wasserdampf zu kondensieren. Nach der Kondensation wird das kondensierte
Wasser durch einen Wasserabscheider entfernt. Die sich ergebende,
entfeuchtete Luft strömt zu
einem Wiedererhitzer, wo die verbliebenen Wassertröpfchen verdunstet
werden, wobei die Restfeuchte in der Dampfphase bleibt. Die trockene
Luft strömt
dann zu einer Turbine zur Expansion und darauffolgendem Kühlen. Die
Expansion wird die Luft typischerweise auf eine Temperatur unter
dem Gefrierpunkt kühlen,
wodurch die Dampfpartikel Eiskörner bilden
und sich zu Schnee kristallisieren, der stromabwärts geschleudert wird. Die
expandierte Luft von der Turbine kann dann zum Kühlen und Kondensieren des Wassers
in dem Kondensator-Wärmetauscher
verwendet werden.
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Für das 2-
und 3-Radsystem kann die expandierte Luft, die in dem Kondensator
erwärmt
wurde, dann direkt in die Kabine eingeleitet werden. Das unterscheidende
Merkmal zwischen diesen beiden Systemen ist jedoch, daß das 2-Radsystem
typischerweise eine Turbine beinhaltet, die mit einem Verdichter
im Eingriff steht, während
das 3-Radsystem eine Turbine beinhaltet, die sowohl mit einem Verdichter als
auch einem Ventilator im Eingriff steht, der RAM-Luft durch das
System zieht. In einer 4-Radkonstruktion,
die zum Beispiel im U.S. Patent Nr. 5,086,622 dargestellt ist, wird
die expandierte Luft, die in dem Kondensator erwärmt worden ist, durch eine
andere Turbine weiter expandiert, um schließlich in die Kabine eingeleitet
zu werden. Bei dieser Konstruktion sind die beiden Turbinen mit
dem Verdichter und dem Ventilator im Eingriff, d. h. 4 Räder. Auch
wird bei der Konstruktion im U.S. Patent Nr. 5,086,622 die entfeuchtete
Luft nicht vor dem Einleiten in die erste Turbine durch einen Wiedererhitzer geleitet.
Daraus ergibt sich ein Nachteil, da die restlichen, kondensierten
Wassertröpfchen
im Einlaßstrom
der ersten Turbine auf die kalten Turbineschaufeln und Auslaßwände aufprallen
und dabei anfrieren, wenn die Temperaturen des Metalls weit unter
dem Gefrierpunkt liegen. Danach sammelt sich Eis schnell an und
muß schnell
geschmolzen werden, um ein Verstopfen des Ablaufs zu vermeiden.
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Ein
gemeinsamer Nachteil, der den 3- und 4-Rad-Urlader-Systemen anhaftet,
liegt darin, daß sie
eine der Konstruktion innewohnende Beschränkung aufweisen. Insbesondere
muß der
Ventilator mit derselben Geschwindigkeit arbeiten wie der Verdichter
und die Turbine(n), obwohl die optimale Leistung des Ventilators
typischerweise bei einer Geschwindigkeit liegt, die unter der des
Verdichters und der Turbine(n) liegt. Daher muß bei der Optimierung der Konstruktion
ein Kompromiß eingegangen
werden, der gewöhnlich
zugunsten des Verdichters und der Turbine(n) ausgerichtet ist. Das
in U.S. Patent Nr. 4,198,830 dargestellte 2-Radsystem verbessert
zum Teil die der Konstruktion innewohnende Beschränkung durch
die Aufnahme einer 2-Wellenkonstruktion. Mit anderen Worten, der
Ventilator steht mit einer Turbine im Eingriff und eine andere Turbine
steht über
eine andere Welle mit dem Verdichter im Eingriff. Die Wellen arbeiten
voneinander unabhängig, indem
abgezweigte Luft separat zu jeder Welle geleitet wird. Dementsprechend
kann es so beschrieben werden, daß die Wellen „parallel" zueinander arbeiten.
Dadurch kann der Ventilator mit einer Geschwindigkeit arbeiten,
die unabhängig
von derjenigen des Verdichters und seiner zugehörigen Turbine ist, die oft
etwa ein Viertel der Geschwindigkeit des/der Verdichters/Turbine
beträgt.
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Aber,
parallel zueinander angeordnete Wellen in dem 2-Rad-Urlader-System erzeugt Leistungsverluste.
Bei der Parallelkonstruktion werden der Ventilator und seine dazugehörige Turbine
von der abgezweigten Luft betrieben, ehe sie verdichtet und aufbereitet
wird. Im Gegensatz dazu werden der Verdichter und seine dazugehörige(n)
Turbine(n) von der abgezweigten Luft betrieben, wenn sie verdichtet
und aufbereitet wird. Somit ist es während des Betriebs mit einer Hilfsenergie-Einheit,
während
der Hauptteil der abgezweigten Luft (vielleicht etwa 87%) sich in der
Aufbereitungsphase befindet, nicht die gesamte abgezweigte Luft.
Die Folge davon ist unter anderem, daß die Kühlkapazität verringert ist. Ferner, wenn
nur ein kleiner Teil der abgezweigten Luft (vielleicht etwa 13%)
zum Drehen des Ventilators Verwendung findet, ergibt sich weniger
Ventilatorleistung als vergleichsweise bei einer Situation, in der
die gesamte abgezweigte Luft verwendet wird. Weniger Ventilatorleistung
heißt,
daß größere Wärmetauscher
für RAM-Luft
benötigt
werden. Ein weiterer Energieverlust bei dem bisherigen 2-Radsystem
ergibt sich dadurch, daß der
Versorgungsluft die Wärme
durch Kondensation und fühlbare
Kühlung
verlorengeht. Das beruht auf der Tatsache, daß die Versorgungsluft typischerweise
direkt vom Kondensator kommt, wobei es keine stromabwärtige Möglichkeit
der Wiedergewinnung gibt. Weiterhin stellt das bisherige 2-Radsystem
typischerweise keine Möglichkeit
zur Nutzung der den Ventilator tragenden Welle als alternative Aufbereitungswelle
bereit, und zwar für
den Fall, daß die
andere Welle versagt.
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Daraus
läßt sich
ersehen, daß ein
Bedarf für ein
verbessertes Verfahren zum Aufbereiten von Wasserdampf enthaltender
Druckluft besteht, das die Kühlkapazität effektiv
erhöht,
indem es die benötigte Größe der Wärmetauscher
verringert. Es gibt noch einen zusätzlichen Bedarf für ein solches
Verfahren, das den Wirkungsgrad erhöht, indem es die Wärme der
Kondensation und fühlbaren
Kühlung
zurückgewinnt,
die sonst beispielsweise der Versorgungsluft verlorenginge. Es besteht
ein weiterer Bedarf an einem Verfahren, das im Einsatz Flexibilität bereitstellt, einschließlich der
Möglichkeit,
auch dann noch klimatisierte Luft bereitzustellen, wenn eine der
beiden Wellen ausgefallen ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Verfahren
zum Aufbereiten von Wasserdampf enthaltender, abgezweigter Luft,
das die Schritte des Bereitstellens eines Hochdruckwellen-Untersystems
umfaßt,
das eine Hochdruckturbine und einen Verdichter umfaßt, und
des Anordnens eines Niederdruckwellen-Untersystems stromabwärts von
und in Luftstromverbindung mit dem Hochdruckwellen-Untersystem,
wobei die Luftstromverbindung anstelle des rotierenden Eingriffs
zwischen den Untersystemen vorhanden ist, und das Niederdruck-Untersystem
eine Niederdruckturbine und einen Ventilator umfaßt.
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Diese
und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
lassen sich besser verstehen durch die folgenden Zeichnungen, die Beschreibung
und die Ansprüche.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein schematisches
Diagramm einer Klimaanlage, die als System verwendet werden kann,
das Verfahren der Erfindung auszuführen;
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2 ist ein schematisches
Diagramm einer alternativen Klimaanlage, die auch als System verwendet
werden kann, das Verfahren der Erfindung auszuführen.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 stellt eine Klimaanlage 10 schematisch
dar, die verwendet werden kann, das Verfahren der Erfindung auszuführen. Die
Klimaanlage 10 umfaßt
ein Hochdruckwellen-Untersystem 39, das in Luftstromverbindung
mit einem Niederdruckwellen-Untersystems 40 steht.
Die Untersysteme 39, 40 stehen jedoch mechanisch
nicht miteinander im Eingriff wie beispielsweise über eine
einzelne Welle oder eine sich drehende Welle, wie sie in den bisherigen 3-
und 4- Radsystemen
eingesetzt sind. Das Hochdruckwellen-Untersystem 39 wird vornehmlich
dazu verwendet, Wasserdampf enthaltende Luft aufzubereiten, um sie
beispielsweise einem geschlossenen Raum zuzuführen. Das Aufbereiten beinhaltet
das Kondensieren des Wasserdampfs und das Kühlen der Luft. Das Niederdruckwellen-Untersystems 40 ist auch
dafür eingesetzt,
die Luft aufzubereiten, aber seine primäre Funktion besteht darin,
beispielsweise einen Ventilator anzutreiben, der zur Fortbewegung von
Umgebungsluft verwendet werden könnte,
die als ein Kühlmedium
im Gesamtsystem dient. Genauer gesagt, umfaßt das Hochdruckwellen-Untersystem 39 einen
Verdichter 16, einen sekundären Wärmetauscher 13, einen
Wiedererhitzer 19, einen Kondensator 26, einen
Wasserabscheider 21 und eine Hochdruckturbine 24.
Das Niederdruckwellen-Untersystems 40 beinhaltet eine Niederdruckturbine 28 und
einen Ventilator 32. Da die Untersysteme 39, 40 in
Serie angeordnet sind, im Gegensatz zu einer parallelen Anordnung,
kann die Gesamtheit der Wasserdampf enthaltenden Luft, die aufbereitet
werden soll, zunächst
durch das Hochdruckwellen-Untersystem 39 und dann durch
das Niederdruckwellen-Untersystems 40 strömen. Dennoch
wird überlegt,
daß ein
bevorzugtes System wahlweise parallel angeordnete Ströme zusätzlich ermöglichen
kann. Eine solche Parallelströmung
bedeutet, daß die
Wasserdampf enthaltende Luft durch das Niederdruckwellen-Untersystems 40 strömen kann,
ohne zuerst durch das Hochdruckwellen-Untersystem 39 zu
strömen.
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Wenn
der gewählte
Einsatzort für
die vorliegende Erfindung ein Flugzeug ist, kann die Wasserdampf
enthaltende Luft abgezweigte Luft 11 aus dem Turbinentriebwerk
des Flugzeugs sein. Die abgezweigte Luft 11 strömt durch
das Hochdruckwellen-Untersystem 39, wobei der Wasserdampf
in dem Kondensator 26 kondensiert wird, und dann wird der kondensierte
Wasserdampf durch den Wasserabscheider 21 entzogen. Der
Luftstrom wird dann in einem Wiedererhitzer 19 wiedererhitzt
und danach durch die Hochdruckturbine 24 expandiert. Der Strom
von der Turbine 24 geht durch den Kondensator 26 zurück und tritt
dann als Versorgungsluft 31 aus oder bewegt sich in das
Niederdruckwellen-Untersystems 40 hinein.
Im Untersystem 40 wird die Luft durch die Niederdruckturbine 28 expandiert
und tritt als Versorgungsluft 31 aus.
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Bei
einer genaueren Beschreibung dieses Systems zum Durchführen der
Erfindung, und wie in 1 dargestellt,
ergibt sich, daß die
abgezweigte Luft 11 so zum primären Wärmetauscher 12 geleitet wird,
daß die
abgezweigte Luft 11 sich in einer Wärmeaustausch-Beziehung mit einer
RAM- oder Umgebungsluft 14 befindet. Nachdem die abgezweigte
Luft 11 in einem primären
Wärmetauscher 12 gekühlt worden
ist, strömt
eine sich ergebende, vorgekühlte Luft
durch einen Schacht 15 und in den Verdichter 16 hinein,
wo die Luft auf einen hohen Druck verdichtet wird. Obwohl der Verdichtungswert
je nach dem Druck der abgezweigten Luft 11 von dem Turbinentriebwerk
des Flugzeugs (der oft etwa 43 psia (29,65 × 104 Pa)
sein kann) variieren kann, wird daran gedacht, daß das Druckverhältnis im
Zusammenhang mit einem Flugzeug typischerweise bei etwa 1,4 bis 1,6
liegen wird. Eine verdichtete Luft tritt aus dem Verdichter 16 durch
einen Schacht 17 aus und tritt in den sekundären Wärmetauscher 13 ein,
wobei weiteres Kühlen
der Druckluft stattfindet. Eine verdichtete oder hohem Druck stehende,
Wasserdampf enthaltende Luft tritt aus dem sekundären Wärmetauscher 13 aus
und strömt
durch einen Schacht 18.
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Der
Wiedererhitzer 19 nimmt die Wasserdampf enthaltende Luft
von dem Schacht 18 auf und stellt eine solche Luft in eine
Wärmeaustausch-Beziehung
mit einer entfeuchteten Luft, was unten näher beschrieben ist. Die entfeuchtete
Luft dient als ein Kühlmedium-Mittel
in einem Wärmeaustauschprozeß und absorbiert
so eine Wärme
von der Kondensation und der fühlbaren
Kühlung.
Bei einem solchen Wärmeaustauschprozeß wird die
Wasserdampf enthaltende Luft gekühlt
und die entfeuchtete Luft erhitzt. Dennoch tritt gekühlte Wasserkondensation nicht
in einem erheblichen Maß auf.
Für dieses
System ist daran gedacht, daß nicht
mehr als etwa 30% des gesamten Wassergehaltes im Wasserdampf in dem
Wiedererhitzer 19 kondensiert wird. Was daher produziert
wird, ist eine gekühlte,
Wasserdampf enthaltende Luft, die in den Kondensator 26 eingeleitet wird.
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Der
Kondensator 26 stellt die gekühlte, Wasserdampf enthaltende
Luft in eine Wärmeaustausch-Beziehung
mit einer expandierten Luft, was unten näher beschrieben ist. Der Wärmeaustauschprozeß verursacht,
daß eine
erhebliche Menge des gesamten, existierenden Wasserdampfs kondensiert wird.
Vorzugsweise beträgt
die Gesamtmenge der Kondensation mehr als 80% des gesamten Wassergehalts
für dieses
System. Zusätzlich
ermöglicht
es der Wärmeaustauschprozeß im Kondensator 26 der expandierten
Luft, eine Wärme
von der Kondensation und der fühlbaren
Kühlung
zurückzugewinnen,
die von dem Niederdruckwellen-Untersystems 40 in nützliche
Energie umgewandelt werden kann, was unten näher beschrieben ist. Wenn der
Wärmeaustauschprozeß abläuft, tritt
eine Luft mit Kondenswasser durch den Schacht 20 aus dem
Kondensator 26 aus und geht in den Wasserabscheider 21 hinein.
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In
diesem System scheidet der Wasserabscheider 21 vorzugsweise
etwa 90% des Kondenswassers von der Luft mit Kondenswasser ab, um
eine entfeuchtete Luft bereitzustellen. Wahlweise kann das abgeschiedene
Wasser durch einen Schacht 36 zur zusätzlichen Kühlung der RAM-Luft 14 geleitet werden,
ehe die Luft 14 durch die Wärmetauscher 12, 13 gezogen
wird. Ganz gleich, ob das abgeschiedene Wasser für weiteres Kühlen der
RAM-Luft 14 verwendet wird, die entfeuchtete Luft strömt durch
einen Schacht 22 und in den Wiedererhitzer 19 hinein. Darin,
und wie oben erwähnt,
wird die entfeuchtete Luft in eine Wärmeaustausch-Beziehung mit
der Wasserdampf enthaltenden Luft gebracht. Wegen der Wärmeaustausch-Beziehung erhitzt
der Wiedererhitzer 19 nicht nur die entfeuchtete Luft,
sondern ermöglicht
es auch, das noch verbliebene Kondenswasser zu verdampfen und fühlbare Kühlung zu
absorbieren. Und eine solche Absorption tritt in einer Art auf,
bei der die absorbierte Wärme
schließlich
im Ablauf wieder als Energie für
die Welle zurückgewonnen
werden kann, anstatt beispielsweise völlig an die Versorgungsluft 31 abgegeben
zu werden. Es wird sich für
einen Fachmann verstehen, daß es
sich bei der Rückgewinnungsmenge
der Wärme
aus fühlbarer
Kühlung
innerhalb des Wiedererhitzers 19 zumindest um eine Teilmenge
handelt, wobei die tatsächliche
Rückgewinnungsmenge
von der Größe des Wiedererhitzers 19 und
dem Berührungstemperaturabfall in
der Hochdruckturbine 24 abhängig ist. Vorzugsweise und
für dieses
System beträgt
die Rückgewinnungsmenge
etwa 50 bis 80% der gesamten Wärmemenge,
die zur Rückgewinnung
vorhanden ist. Ungeachtet der Rückgewinnungsmenge
erzeugt der Wiedererhitzer 19 von der entfeuchteten Luft
eine wiedererhitzte Luft.
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Die
wiedererhitzte Luft tritt durch den Schacht 23 aus dem
Wiedererhitzer 19 aus und kann dann in die Hochdruckturbine 24 strömen, die
in einem Flugzeug bei etwa 50 psia (34,47 × 104 Pa)
arbeiten kann. Die Turbine 24 expandiert nicht nur die wiedererhitzte
Luft, sondern sie gewinnt auch als Energie für die Welle einen Teil der
Wärme von
der fühlbaren
Kühlung
in der wiedererhitzten Luft, wobei die Menge von ihrem Expansionsdruck-Verhältnis abhängt. In
diesem System, bei dem ein Expansionsdruck-Verhältnis vorzugsweise bei etwa
2,1 bis 2,4 liegt, liegt die Rückgewinnungsmenge
bei etwa 70 bis 80% der gesamten Wärmemenge, die zur Rückgewinnung
vorhanden ist. Die wiedergewonnene Wärme kann beispielsweise von
der Turbine 24 genutzt werden, um ihre Drehgeschwindigkeit
zu erhöhen,
ihr Druckverhältnis
zu verstärken
und die Expansion der wiedererhitzten Luft zu erhöhen. Weiterhin,
und wie aus 1 ersichtlich,
steht die Turbine 24 mechanisch über eine Hochdruckwelle 37 mit
dem Verdichter 16 im Eingriff, die im Zusammenhang mit
einem Flugzeug typischerweise mit einer Geschwindigkeit laufen kann,
die doppelt so hoch wie diejenige der unten beschriebenen Niederdruckwelle 38 ist.
Somit kann von der Turbine 24 absorbierte Wärme oder
Energie von dem Verdichter 16 in brauchbare Energie umgewandelt
werden. Wenn die Hochdruckturbine 24 die wiedererhitzte
Luft expandiert, wird eine expandierte Luft mit einem Zwischendruck
erzeugt, die durch einen Schacht 25 aus der Turbine 24 austritt.
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Dann
strömt
die expandierte Luft mit einem Zwischendruck durch den Kondensator 26,
wobei die expandierte Luft infolge der Wärmeaustausch-Beziehung zwischen
der expandierten Luft und der gekühlten, Wasserdampf enthaltenden
Luft erwärmt
wird, die vom Wiedererhitzer 19 her kommt. Auch aufgrund des
Wärmeaustauschprozesses
absorbiert die expandierte Luft eine Wärme aus Kondensation und fühlbarer
Kühlung,
die von der Wasserdampf enthaltenden Luft abgegeben wird. Während die
Größe des Kondensators 26 die
Menge der absorbierten Wärme verändern kann,
wird daran gedacht, daß etwa
70% der insgesamt vorhandenen Wärme
im Kondensator 26 absorbiert wird. Eine erwärmte, expandierte
Luft mit einem Zwischendruck wird erzeugt, die über den Schacht 27 aus
dem Kondensator 26 austritt. Im Schacht 27 kann
die erwärmte,
expandierte Luft mit einem Zwischendruck wahlweise durch ein Ventil 30 strömen, um
die Temperatur der Versorgungsluft 31 zu regeln. Alternativ
kann die erwärmte,
expandierte Luft mit einem Zwischendruck direkt in das Niederdruckwellen-Untersystems 40 und
speziell in die Niederdruckturbine 28 strömen, die
typischerweise bei etwa 22 psia (15,17 × 104 Pa)
betrieben wird, wenn der Druck in der Turbine 24 bei etwa
50 psia (34,47 × 104 Pa) liegt, wie oben angegeben. Die direkte
Strömung
von dem Kondensator 26 zur Turbine 28 ist von der
bisherigen 2-Rad-Konstruktion verschieden, bei der die Niederdruckturbine
keine Strömung
von einem Kondensator erhält.
In der Niederdruckturbine 28 wird die Luft weiter gekühlt, indem
sie von der Turbine 28 expandiert wird und als expandierte
Luft mit Niederdruck austritt. Ähnlich
der Hochdruckturbine 24 kann die Turbine 28 die
Wärme aus
Kondensation und fühlbarer
Kühlung
von der erwärmten,
expandierten Hochdruckluft wiedergewinnen. Wie bei der Hochdruckturbine 24 gewinnt
die Niederdruckturbine 28 die Wärme in einer Menge wieder,
die von ihrem Expansionsdruck-Verhältnis abhängig ist. In diesem System,
bei dem ein Expansionsdruck-Verhältnis für die Turbine 28 vorzugsweise
bei etwa 1,5 bis 1,8 liegt, beträgt
die Rückgewinnungsmenge
etwa 10 bis 20% der gesamten Wärme,
die zur Rückgewinnung vorhanden
ist. Dabei sei nochmals erwähnt,
daß die zurückgewonnene
Wärme verwendet
werden kann, um die Drehgeschwindigkeit der Turbine 28 zu
erhöhen.
Und da die Niederdruckturbine 28 mechanisch über einen
Niederdruck 38 mit einem Ventilator 32 in Verbindung
steht, kann die Energie dazu verwendet werden, den Ventilator 32 zu
drehen und mehr RAM-Luft 14 durch die Wärmetauscher 12, 13 zu
ziehen. Es ist jedoch ein Rückschlagventil 35 bereitgestellt,
um es der RAM-Luft 14 zu ermöglichen, während des Flugbetriebs eines
Flugzeugs den Ventilator 32 zu umgehen.
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Es
ist ersichtlich, daß die
Niederdruckwelle 38 und ihre dazugehörigen Räder (d. h. Turbine 28 und
Ventilator 32) mechanisch unabhängig von der Hochdruckwelle 37 und
ihre dazugehörigen
Räder (d.
h. Turbine 24 und Verdichter 16) arbeiten. Durch eine
solche, unabhängige
Betriebsweise und die Luftstromanordnung in Serienschaltung der
Untersysteme 39, 40 kann die Größe der Wärmetauscher 12, 13 um
etwa 10 bis 15% verkleinert werden, wenn sie mit bestehenden Konstruktionen
für die
gleiche Kühlkapazität verglichen
wird. Auch können
die Betriebsparameter der Klimaanlage 10 optimaler für eine erhöhte Leistung
eingestellt werden, indem ein unten beschriebenes Ventilsystem eingesetzt
wird.
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Weiter
läßt sich
bei Betrachtung der 1 verstehen,
daß die
Temperatur der Versorgungsluft 31 nicht nur durch das Ventil 30 sondern
auch durch das Ventil 34 geregelt wird. Wie bei Ventil 30,
das es einer Bedienungsperson ermöglicht, die Temperatur der
Versorgungsluft 31 zu erhöhen, wenn die Lufttemperatur
von der Turbine 28 zu niedrig ist, läßt sich das auch mit Ventil 34 erreichen.
Es läßt sich
jedoch ersehen, daß durch
das Ventil 34 mehr Hitze zu der Versorgungsluft 31 dazugegeben
werden kann, da das Ventil 34 einen Luftstrom durch einen
Schacht 33 ermöglicht,
der vom Auslaß des
primären
Wärmetauschers 12 abzweigt.
Natürlich
weist die aus dem Auslaß des
primären
Wärmetauschers 12 kommende Luft
mehr Wasserdampf und eine höhere
Temperatur auf im Vergleich zu der Luft, die schon klimatisiert
ist und durch das Ventil 30 strömt. Folglich kann die durch
das Ventil 34 im Vergleich zu Ventil 30 strömende Luft
vorzugsweise für
stärkere
Veränderungen
der Versorgungsluft 31 eingesetzt werden.
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2 zeigt schematisch ein
anderes System, das dafür
eingesetzt werden kann, das Verfahren der Erfindung auszuführen. Obwohl
die in 1 und 2 dargestellten Systeme allgemein
in der gleichen Art funktionieren, ermöglicht das in 2 gezeigte System bei einer Klimaanlage 10' mehr Einstell-
und Optimierungsmöglichkeiten.
So ermöglicht das
in 2 dargestellte System
beispielsweise eine bessere Steuerung der Temperatur und der Feuchtigkeit
der Versorgungsluft 31'.
Der Grund dafür
ist, daß es
wahlweise das Hinzufügen
eines Niederdruckwellen-Untersystems 40' ermöglicht,
um Luftklimatisierung unabhängig
von der Klimatisierung durch das Hochdruckwellen-Untersystem 39' bereitzustellen. Somit kann
bei Ausfall eines der beiden Untersysteme 39', 40' das andere immer noch dafür eingesetzt werden,
die Versorgungsluft 31' bereitzustellen.
Wie bei den anderen Systemen beinhaltet das Hochdruckwellen-Untersystem 39' einen Verdichter 16', einen sekundären Wärmetauscher 13', einen Wiedererhitzer 19', einen Kondensator 26', einen Wasserabscheider 21' und eine Hochdruckturbine 24'. Das Niederdruckwellen-Untersystem 40' beinhaltet eine
Niederdruckturbine 28' und
einen Ventilator 32'. Im
Gegensatz zu dem in 1 gezeigten
System ermöglicht
dieses System jedoch darüberhinaus
wahlweise den parallelen Einsatz der Untersysteme 39', 40'.
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Wie
in 2 gezeigt, ist die
abgezweigte Luft 11' über die
Ventile 41', 42' gesteuert,
um durch den primären
Wärmetauscher 12' aufgenommen
zu werden, in dem die abgezweigte Luft 11' in eine Wärmeaustausch-Beziehung mit der
RAM- oder Umgebungsluft 14' gebracht
wird. Eine resultierende, vorgekühlte
Luft strömt
durch den Schacht 15' in
den Verdichter 16'.
Alternativ kann die vorgekühlte
Luft den Verdichter 16' umgehen
und in einen Wasserabscheider 44' strömen, wenn der Verdichter 16' zum Beispiel
nicht richtig funktioniert. In dem Fall kann der Wasserabscheider 44' eine Menge
Wasserdampf entziehen (vorzugsweise etwa 90% des gesamten, kondensierten
Wassers), die eventuell in dem primären Wärmetauscher 12' kondensiert
ist. Nach dem Entziehen verläßt eine
teilweise entfeuchtete Luft den Wasserabscheider 44' und kann wahlweise über ein
Ventil 45' in
ein Niederdruckwellen-Untersystem 40' oder über ein Ventil 34' in die Versorgungsluft 31' strömen. Wenn
die teilweise entfeuchtete Luft in das Niederdruckwellen-Untersystem 40' strömt, kann
die Luft weiter klimatisiert werden. Andererseits, wenn die teilweise
entfeuchtete Luft das Niederdruckwellen-Untersystem 40' umgeht, findet
keine weitere Klimatisierung der Luft statt, ehe sie in die Versorgungsluft 31' geleitet wird.
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Wenn
der Strom vom primären
Wärmetauscher 12' den Verdichter 16' nicht umgeht,
kann die Luft in einem ähnlichen
Maß wie
beim ersten System verdichtet werden und den Verdichter 16' durch den Schacht 17' verlassen.
Von Schacht 17' geht
der Strom in einen sekundären
Wärmetauscher 13' und verläßt ihn als
verdichtete oder Wasserdampf enthaltende Luft mit hohem Druck. Die
Wasserdampf enthaltende Luft verläßt den sekundären Wärmetauscher 13' durch den Schacht 18' so, daß der Wiedererhitzer 19' sie aufnimmt.
Wie beim in 1 gezeigten
System wird die Wasserdampf enthaltende Luft so in eine Wärmeaustausch-Beziehung
mit einer entfeuchteten Luft gebracht, daß die entfeuchtete Luft eine
Kondensationswärme
und Wärme
durch fühlbare
Kühlung
absorbiert. Die Menge absorbierter Wärme ist der des ersten Systems ähnlich.
Wasserkondensation findet jedoch auch hier nicht in einem wesentlichen
Maß statt
(d. h. nicht mehr als etwa 30% für
diese Ausführungsform).
Daher strömt
eine gekühlte,
Wasserdampf enthaltende Luft in den Kondensator 26', wo ein weiterer
Wärmeaustauschprozeß wie beim
ersten System in 1 auf
eine Weise stattfindet, daß der
Wasserdampf kondensiert wird. Wie auch beim ersten System gewinnt
eine expandierte Luft eine Kondensationswärme und Wärme durch fühlbare Kühlung zurück, deren Menge ähnlich wie
beim ersten System ist. Die zurückgewonnene Wärme kann
durch das Niederdruckwellen-Untersystems 40' in nützliche Energie umgewandelt
werden.
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Eine
wasserkondensierte Luft verläßt den Kondensator 26' durch einen
Schacht 20' und
bewegt sich in den Wasserabscheider 21' hinein, wobei entfeuchtete Luft
daraus ausströmt.
Wie beim ersten System kann das entzogene Wasser zum zusätzlichen
Kühlen
der RAM-Luft 14' durch
einen Schacht 36' geleitet
werden. Von dem Wasserabscheider 21' strömt die entfeuchtete Luft durch
einen Schacht 22' und
in den Wiedererhitzer 19'.
Darin absorbiert die entfeuchtete Luft eine Wärme durch fühlbare Kühlung, die der Menge im ersten
System ähnlich
ist. Eine wiedererhitzte Luft verläßt den Wiedererhitzer 19' durch den Schacht 23' und tritt in
die Hochdruckturbine 24' ein.
Die wiedererhitzte Luft wird expandiert, während die Turbine 24' auch einen
Teil der Wärme
durch fühlbare
Kühlung
in der wiedererhitzten Luft zurückgewinnt.
Und da die Turbine 24' über die
Hochdruckwelle 37' mit
dem Verdichter 16' im Eingriff
steht, kann die zurückgewonnene
Wärme in nützliche
Energie umgewandelt werden.
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Von
der Turbine 24' wird
eine expandierte Luft mittleren Drucks erzeugt, die durch den Schacht 25' und zurück in den
Kondensator 26' strömt. Die
expandierte Luft wird erwärmt
und absorbiert Wärme durch
Kondensation und fühlbare
Kühlung,
die von der Wasserdampf enthaltenden Luft abgestoßen wird.
Die Absorptionsmenge ist wiederum ähnlich wie die Menge im ersten
System. Eine erwärmte,
expandierte Luft mittleren Drucks verläßt den Kondensator 26' über einen
Schacht 27',
von wo aus sie dann wahlweise durch ein Temperatur-Regelventil 30', einen Schacht 50' oder durch
ein Rückschlagventil 47' strömen kann,
wobei die beiden letzteren das Eintreten in das Niederdruckwellen-Untersystems 40' ermöglichen.
Durch das Ventil 30' kann
die Versorgungsluft 31 erwärmt werden. Durch das Rückschlagventil 47' kann der Strom
durch das Niederdruckwellen-Untersystems 40' weiter klimatisiert werden, falls
kein Strom in die Turbine 28' über den Schacht 46' eintritt. Falls
eine solche Strömung
vom Schacht 46' vorhanden
ist, kann der Strom vom Kondensator 26' durch den Schacht 50' in das Niederdruckwellen-Untersystems 40 strömen (d.
h. die Turbine 28').
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Falls
der Strom vom Kondensator 26' durch ein
Rückschlagventil 47' in die Niederdruckturbine 28' geleitet wird,
kann die im Kondensator 26' abgestoßene Wärme durch
Kondensation und fühlbare Kühlung in
einem Maße
zurückgewonnen
werden, das ähnlich
wie im ersten System ist. Die zurückgewonnene Wärme kann
dann entweder von einer oder beiden Turbinen 28' oder einem
Ventilator 32' in
nützliche
Energie umgewandelt werden, der mit der Turbine 28' über die
Niederdruckwelle 38' im
Eingriff steht. Wie beim ersten System ermöglicht es ein Rückschlagventil 35' der RAM-Luft 14', den Ventilator 32' zu umgehen.
Ein Absperrventil 43' ist
nützlich
bei der Landung eines Flugzeugs nach einem Flug, bei dem die Niederdruckwelle 40' betriebsunfähig wurde. In
dem Fall würde
der Druck der RAM-Luft 14',
die den Kühlluftstrom
durch die Wärmetauscher 12', 13' drückt, normalerweise
verlorengehen. Um ein nützliches
Kühlen
beizubehalten, öffnet
sich das Ventil 43', um
zusätzliche,
vom Triebwerk abgezweigte Luft 11' in den Kühlluft-Austrittsschacht zu
leiten. Die Triebkraft dieses Luftstroms zieht Kühlluft durch die Wärmetauscher 12', 13', womit der
Druck der RAM-Luft 14' ersetzt
wird. Die Durchflußrate
des Kühlluftstroms ist
etwa dreimal so groß wie
die Durchflußrate
der abgezweigten Luft 11' durch
das Ventil 43'.
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Für einen
Fachmann versteht es sich, daß das
System, das dafür
eingesetzt werden kann, das Verfahren der vorliegenden Erfindung
auszuführen, Effizienz
bereitstellt, indem es die beiden Wellen des Systems dazu befähigt, unabhängig voneinander
zu arbeiten. Dadurch kann die eine Welle bei optimalen Bedingungen
betrieben werden, und das gleiche gilt auch für die andere Welle. Da das
System, das dafür eingesetzt
werden kann, das Verfahren der vorliegenden Erfindung auszuführen, zusätzlich die
Wellen dazu befähigt,
in Serie zu arbeiten, beträgt
die Durchflußrate
durch die Niederdruckwelle (40, 40') im Wesentlichen 100% der abgezweigten
Luft (11, 11'),
welche in die Klimaanlage (10, 10') eintritt. Somit kann sich die
Leistung des Ventilators (32, 32') gegenüber bisherigen Konstruktionen
um etwa 300% erhöhen. Diese
Erhöhung
ergibt etwa 60% mehr Strömung durch
die Wärmetauscher
(12, 12', 13, 13'). Daher können die
Wärmetauscher
kleiner ausgelegt werden (etwa 22% in Volumen und Gewicht). Weiterhin ermöglicht es
das beschriebene System zusätzlich, die
beiden Wellen wahlweise parallel zu betreiben, wenn beispielsweise
Störungsbedingungen
vorliegen oder wenn der Druck der abgezweigten Luft niedrig ist,
wie beispielsweise beim Fliegen eines Flugzeugs.