DE69821134T2 - Zweiwellenklimaanlage - Google Patents

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J. Kathrine CLARKE
S. Dan MATULICH
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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich besser verstehen durch die folgenden Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein schematisches Diagramm einer Klimaanlage, die als System verwendet werden kann, das Verfahren der Erfindung auszuführen;
  • 2 ist ein schematisches Diagramm einer alternativen Klimaanlage, die auch als System verwendet werden kann, das Verfahren der Erfindung auszuführen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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'.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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').
  • 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'.
  • 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.

Claims (6)

  1. Verfahren zssum Aufbereiten von Wasserdampf enthaltender Druckluft zur Versorgung als klimatisierte Luft, umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Hochdruckwellen-Untersystems umfassend eine Hochdruck-Turbine und einen Verdichter; und Anordnen eines Niederdruckwellen-Untersystems stromabwärts von und in einer Luftstrom-Verbindung mit dem Hochdruckwellen-Untersystem, wobei die Luftstrom-Verbindung anstelle eines rotierenden Eingriffs zwischen den Untersystemen vorhanden ist, und das Niederdruck-Untersystem eine Niederdruck-Turbine und einen Ventilator umfaßt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin den Schritt umfaßt, daß im wesentlichen die gesamte Druckluft zuerst durch das Hochdruckwellen-Untersystem und danach durch das Niederdruckwellen-Untersystem geleitet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Hochdruckwellen-Untersystem in einem in Serie angeordneten Luftstrom mit dem Niederdruckwellen-Untersystem angeordnet ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Hochdruck-Turbine mechanisch unabhängig von der Niederdruck-Turbine und dem Ventilator betrieben werden kann und wobei der Verdichter mechanisch unabhängig von der Niederdruck-Turbine und dem Ventilator betrieben werden kann.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Hochdruck-Turbine mechanisch mit dem Verdichter im Eingriff steht und die Niederdruck-Turbine mechanisch mit dem Ventilator im Eingriff steht.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Hochdruckwellen-Untersystem weiterhin einen Wiedererhitzer, einen Kondensator und einen Wasserabscheider umfaßt.
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