ES2200961T3 - Sistema de control ambiental por ciclo de aire dotado de un subsistema por ciclo de liquido. - Google Patents

Sistema de control ambiental por ciclo de aire dotado de un subsistema por ciclo de liquido.

Info

Publication number
ES2200961T3
ES2200961T3 ES00973464T ES00973464T ES2200961T3 ES 2200961 T3 ES2200961 T3 ES 2200961T3 ES 00973464 T ES00973464 T ES 00973464T ES 00973464 T ES00973464 T ES 00973464T ES 2200961 T3 ES2200961 T3 ES 2200961T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
air
liquid
heat exchanger
turbine
cycle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
ES00973464T
Other languages
English (en)
Inventor
Clarence Lui
Richard Meyer
Wai-Pak Wong
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honeywell International Inc
Original Assignee
AlliedSignal Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by AlliedSignal Inc filed Critical AlliedSignal Inc
Application granted granted Critical
Publication of ES2200961T3 publication Critical patent/ES2200961T3/es
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64DEQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D13/00Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space, or structural parts of the aircraft
    • B64D13/06Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space, or structural parts of the aircraft the air being conditioned
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64DEQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D13/00Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space, or structural parts of the aircraft
    • B64D13/06Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space, or structural parts of the aircraft the air being conditioned
    • B64D2013/0603Environmental Control Systems
    • B64D2013/0614Environmental Control Systems with subsystems for cooling avionics
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64DEQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D13/00Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space, or structural parts of the aircraft
    • B64D13/06Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space, or structural parts of the aircraft the air being conditioned
    • B64D2013/0603Environmental Control Systems
    • B64D2013/0674Environmental Control Systems comprising liquid subsystems
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00Aeronautics or air transport
    • Y02T50/50On board measures aiming to increase energy efficiency

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
  • Sorption Type Refrigeration Machines (AREA)

Abstract

Un método para acondicionar aire comprimido que contiene vapor de agua para el suministro como aire acondicionado, que comprende los pasos de: proporcionar un subsistema por ciclo de aire que comprende un primer intercambiador de calor para recibir el aire comprimido que contiene vapor de agua, un recalentador situado corriente abajo de dicho primer intercambiador de calor de tal forma que dicho recalentador recibe el aire comprimido que contiene vapor de agua y puede recalentar aire deshumedecido, una primera turbina situada corriente abajo de dicho recalentador para condensar el aire comprimido que contiene vapor de agua, un segundo intercambiador de calor situado corriente abajo de dicha primera turbina en el que el aire comprimido que contiene vapor de agua es condensado adicionalmente para formar el aire deshumedecido que es comunicado al recalentador, y una segunda turbina situada corriente abajo de dicho segundo intercambiador de calor, en que la segunda turbina expande el aire deshumedecido; y situar un subsistema por ciclo de líquido en una relación de intercambio de calor con dicho subsistema por ciclo de aire, produciéndose dicha relación de intercambio de calor en dicho segundo intercambiador de calor de tal forma que dicho subsistema por ciclo de aire puede recuperar energía térmica desde dicho subsistema por ciclo de líquido.

Description

Sistema de control ambiental por ciclo de aire dotado de un subsistema por ciclo de líquido.
La presente invención se refiere en general a sistemas de control ambiental y a sistemas de refrigeración por ciclo de aire. Más específicamente, la presente invención se refiere a un sistema de refrigeración por ciclo de aire mejorado y a un método mejorado para acondicionar aire comprimido que contiene vapor de agua y recuperar energía desaprovechada desde una carga líquida, al tiempo que se reduce el tamaño del sistema y el consumo de aire sangrado, y se mejora la eficiencia de retirada de agua.
Los sistemas de refrigeración por ciclo de aire se usan para proporcionar un suministro de aire acondicionado a un recinto cerrado, tal como una cabina de avión. En el pasado, los sistemas de refrigeración por ciclo de aire han utilizado un sistema de refrigeración por ciclo de aire-aire con un circuito integrado de líquido. Pero el circuito de líquido ha tenido principalmente como fin refrigerar sistemas de radar u otros sistemas de aviónica, no enfriar el aire a acondicionar. En tales sistemas, un flujo de aire sangrado es tomado de una etapa de presión intermedia o alta dentro de un motor a reacción con etapas de compresión múltiple. El aire sangrado ha sido habitualmente pre-enfriado dentro de un intercambiador de calor primario, en que el calor es rechazado hacia aire forzado (del inglés "RAM air"), y luego es hecho fluir a un compresor. Tras la compresión, el aire ha sido encaminado a través de un segundo intercambiador de calor. A continuación, el aire es hecho fluir típicamente hacia un intercambiador de calor de recalentamiento aire-aire y luego a un intercambiador de calor de condensación aire-aire. El vapor de agua condensado es extraído por un extractor de agua, y luego encaminado y evaporado en el segundo intercambiador de calor. Aire deshumedecido se mueve desde el segundo intercambiador de calor hacia el recalentador y a una turbina. Aire expandido procedente de la turbina fluye a través del condensador en calidad de medio refrigerante. Cuando el flujo de aire procedente del condensador pasa a través de un intercambiador de calor líquido-aire, un líquido relativamente más caliente procedente de un circuito de líquido es enfriado y luego usado para refrigerar sistemas de aviónica. Después de que el flujo de aire pasa a través del intercambiador de calor líquido-aire, el flujo se convierte en el suministro a la cabina.
Aunque proporciona ventajas, el sistema de refrigeración por ciclo de aire convencional anterior con un circuito de líquido ha presentado también desventajas. Por ejemplo, la carga líquida es típicamente rechazada de forma directa hacia el aire refrigerante a suministrar. Cuando la carga líquida es alta, habitualmente calienta el aire más allá de la temperatura deseada del aire a suministrar. Esto significa que el sistema de refrigeración por ciclo de aire tiene que aumentar de tamaño para acomodar la carga. La necesidad tanto de un condensador como de un recalentador añade volumen al sistema. Por supuesto, con menos componentes, puede conseguirse mayor capacidad de refrigeración con una cantidad dada de espacio. Si el sistema de refrigeración por ciclo de aire se usa como actualización, un tamaño más voluminoso del sistema significa menos oportunidades de que el sistema de refrigeración por ciclo de aire se ajuste a diferentes espacios donde hay que realizar la actualización.
En un ejemplo específico de un sistema por ciclo de aire con un circuito de refrigeración de líquido, la patente de los EE.UU. nº 4.430.867 mueve aire sangrado comprimido a un condensador de líquido/aire. Desde el condensador de líquido/aire, el aire se mueve a través de un colector de agua y luego directamente hacia una turbina. De acuerdo con ello, el aire dirigido a la turbina no ha sido recalentado. Desde la turbina, aire expandido pasa a través de un primer intercambiador de disipación de calor líquido/aire y luego a una cabina. En el circuito de líquido, un líquido calentado se mueve desde el condensador líquido/aire para uso en la fusión de hielo en la cara situada corriente arriba del primer intercambiador de disipación de calor líquido/aire. El líquido se mueve entonces a través de un segundo intercambiador de disipación de calor líquido/aire dentro de una cabina y de vuelta al condensador líquido/aire. De acuerdo con ello, el líquido procedente de una carga líquida (es decir, el segundo intercambiador de disipación de calor líquido/aire) está siendo usado para condensar y retirar agua en la entrada de la turbina. Lo que evidentemente no se ha tratado, al menos explícitamente, es el problema de recuperar calor rechazado por el circuito de líquido.
La patente de los EE.UU. nº 5.906.111 está cedida al mismo cesionario que la presente invención y proporciona un subsistema por ciclo de aire y un subsistema por ciclo de líquido. El ciclo de aire proporciona aire comprimido a un condensador líquido-aire y luego a un extractor de agua. Aire deshumedecido procedente del extractor de agua se mueve a un recalentador líquido-aire, a una turbina, y luego a unos intercambiadores de calor líquido-aire primero y segundo. El aire procedente del segundo intercambiador de calor líquido-aire se usa para refrigerar un recinto cerrado. El ciclo de líquido hace fluir líquido a través del primer intercambiador de calor líquido-aire, del condensador, del recalentador y luego a través del segundo intercambiador de calor líquido-aire. Con ello, el ciclo de líquido ayuda a retirar agua del aire en el ciclo de aire. Aunque parte de la energía desaprovechada procedente de la carga líquida es recuperada, podría conseguirse aún una mayor eficiencia.
Una variación del sistema por ciclo de aire mostrado en la patente de los EE.UU. nº 4.430.867 es la patente de los EE.UU. nº 5.086.622, siendo ambas del mismo inventor. En la última, aire sangrado es comprimido en un compresor y luego es hecho fluir hacia un condensador aire-aire. Una vez condensado y luego extraído vapor de agua, aire deshumedecido se mueve hacia una primera turbina para expansión. Aire de descarga procedente de la primera turbina se mueve de vuelta hacia el condensador y luego hacia una segunda turbina. Desde la segunda turbina, el aire puede ser suministrado a una cabina. En este diseño, no fluye aire deshumedecido a través de un recalentador antes de entrar en la primera turbina. Esto presenta al menos una desventaja debido a que las gotas de agua condensada residuales en la corriente de entrada de la primera turbina inciden sobre paletas de turbina y paredes de salida frías y se congelan si las temperaturas del metal están muy por debajo del punto de congelación. El hielo se acumula entonces deprisa y debe ser rápidamente fundido para evitar obstrucciones.
En el sistema por ciclo de aire mostrado en la patente europea nº 248.578 B1, un compresor comprime un flujo de aire que luego se mueve a través de un intercambiador de calor de refrigerante. El aire pasa entonces a través de una primera turbina y a un primer intercambiador de calor de carga. Tras ello, el aire es conducido hacia una segunda turbina y luego a un segundo intercambiador de calor de carga. Los intercambiadores de calor de carga primero y segundo intercambian calor con cargas térmicas y son refrigerados por aire u otros medios. Se omite de la descripción si y cómo se extrae agua del aire. También se omite cómo se pueden equilibrar las cargas entre las turbinas de dos etapas de forma que se pueda conseguir un diseño práctico.
Como puede verse, hay una necesidad de un sistema de refrigeración por ciclo de aire con un circuito de líquido que tenga un tamaño pequeño de forma que para un espacio dado pueda conseguirse una mayor capacidad de refrigeración. Existe también la necesidad de un sistema de refrigeración por ciclo de aire que, debido a su tamaño relativamente pequeño, pueda servir como actualización en más entornos. Además, se necesita un sistema de refrigeración por ciclo de aire que utilice más eficientemente el aire sangrado como medio refrigerante. También se necesita un sistema de control ambiental que permita que un sistema de refrigeración por ciclo de aire recupere energía térmica desaprovechada de un sistema por ciclo de líquido. Otra necesidad más es un sistema de refrigeración por ciclo de aire que pueda recuperar un calor de condensación y un enfriamiento sensible.
Sumario de la invención
En la presente invención, se proporciona un método para acondicionar aire comprimido que contiene vapor de agua para suministrarlo como aire acondicionado según la reivindicación 1.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es un diagrama esquemático de una realización de la presente invención.
Descripción detallada de la invención
La figura 1 representa esquemáticamente un sistema por ciclo de líquido-aire o sistema de control ambiental 10 según una realización preferida de la presente invención. El sistema de control ambiental 10 comprende un subsistema por ciclo de aire 11 que está en una relación de intercambio de calor con un subsistema por ciclo de líquido 12. Más específicamente, el subsistema por ciclo de aire 11 incluye un intercambiador de calor principal 16, un compresor 19, un intercambiador de calor secundario 21, un primer intercambiador de calor 23, un recalentador 25, una primera turbina 29, un extractor de agua 31, un segundo intercambiador de calor 33, una segunda turbina 38, y un tercer intercambiador de calor 40. El subsistema por ciclo de líquido 12 incluye componentes que también funcionan como parte del subsistema por ciclo de aire 11. El subsistema por ciclo de líquido 12 incluye los intercambiadores de calor segundo y tercero 33, 40, así como una bomba 43 y un cuarto intercambiador de calor 45. A través de los componentes compartidos, se establece una relación de intercambio de calor entre los subsistemas 11, 12.
Si el entorno seleccionado para la presente invención es un avión, el aire que contiene vapor de agua puede ser aire sangrado 13 procedente de un motor de turbina del avión. El aire sangrado 13 fluye a través del subsistema por ciclo de aire 11 mientras que el vapor de agua es condensado sustancialmente en su totalidad por la primera turbina 29 y luego el vapor de agua condensado es extraído por el extractor de agua 31. El flujo de aire es luego recalentado en el recalentador 25 y expandido por la segunda turbina 38. El flujo procedente de la segunda turbina 38 pasa a través del tercer intercambiador de calor 40 para un suministro final a una cabina 58 y/o a otra carga de aire 62. El subsistema por ciclo de líquido 12 hace circular un refrigerante líquido a través del cuarto intercambiador de calor 45, del segundo intercambiador de calor 33, y luego a través del tercer intercambiador de calor 40. Con ello, el aire sangrado 13 es acondicionado para un suministro final a un recinto cerrado, el subsistema por ciclo de líquido 12 puede enfriar una carga líquida 51, y la energía térmica procedente del subsistema por ciclo de líquido 12 puede ser recuperada por el subsistema por ciclo de aire 11, específicamente, por la segunda turbina 38.
En una descripción más particular de la presente invención, y como se muestra en la figura 1, el aire sangrado 13 es enviado a través del intercambiador de calor principal 16 de tal forma el aire sangrado 13 está en una relación de intercambio de calor con aire ambiente o forzado 14. Después de que el aire sangrado 13 es enfriado en el intercambiador de calor principal 16, aire pre-enfriado resultante sale a través de un conducto 17 y pasa bien a través de una válvula de control de flujo 65 o a través de un conducto 18. Si el aire pre-enfriado se mueve a través del conducto 18, el aire es encaminado bien a través de una válvula de control de temperatura 52 u otra válvula de control de temperatura 66, y ambos encaminan finalmente aire hacia la cabina 58 y/o hacia aire de carga 62, como se describe adicionalmente con posterioridad. Por otro lado, si el aire pre-enfriado procedente del intercambiador de calor principal 16 se mueve a través de la válvula de control de flujo 65, el aire penetra dentro del compresor 19 donde el aire es comprimido a una alta presión. Aire comprimido sale del compresor 19 a través de un conducto 20 y penetra en el intercambiador de calor secundario 21 con lo que se produce un enfriamiento adicional del aire comprimido por intercambio de calor con aire forzado 15. Aire comprimido o a alta presión, que contiene vapor de agua, sale del intercambiador de calor secundario 21 y fluye a través de un conducto 22.
El primer intercambiador de calor 23, que es un intercambiador por aire-aire, recibe el aire que contiene vapor de agua desde el conducto 22. El primer intercambiador de calor 23 sitúa dicho aire en relación de intercambio de calor con aire de descarga procedente de la segunda turbina 38, lo que se describe más completamente con posterioridad. Mediante dicho proceso de intercambio de calor, el aire que contiene vapor de agua es enfriado. El aire que contiene vapor de agua enfriado se mueve entonces a través de un conducto 24 y hacia el recalentador 25 donde el aire es enfriado adicionalmente y el vapor de agua es parcialmente condensado por un proceso de intercambio de calor con el aire de salida procedente del segundo intercambiador de calor 33, como se describe adicionalmente con posterioridad. Desde el recalentador 25, aire que contiene vapor de agua y ha sido enfriado adicionalmente sale a través de un conducto 26 y hacia un extractor de agua 27 opcionalmente dispuesto. Aunque no es necesario, el extractor de agua 27 puede usarse para retirar el vapor de agua parcialmente condensado. Un conducto 28 permite que el aire fluya entonces a la primera turbina 29.
La primera turbina 29 condensa sustancialmente todo el vapor de agua en el aire que contiene vapor de agua como resultado de que el aire se expande y por lo tanto se enfría. Sin embargo, en esta realización preferida, la presión de descarga desde la primera turbina 29 es mantenida a una temperatura de descarga por encima del punto de congelación (o, en otras palabras, una presión intermedia) de forma que se elimina la necesidad de un condensador grande situado corriente arriba de la turbina 29. Un condensador así es necesario, por ejemplo, en la patente de los EE.UU. nº 5.086.622. Un conducto 30 mueve un primer aire expandido y con agua condensada desde la primera turbina 29 a otro extractor de agua 31 que extrae sustancialmente todo el agua condensada del aire con agua condensada para proporcionar aire deshumedecido. Se contempla una extracción de alrededor del 90% del agua condensada total, aunque la cantidad puede variar en función de la optimización. En esta realización, el agua extraída puede hacerse fluir a través de un conducto (no mostrado) hacia el intercambiador de calor secundario 21 para evaporación. El aire deshumedecido procedente del extractor de agua 31 fluye entonces a través de un conducto 32 y al segundo intercambiador de calor 33, que es un intercambiador de calor líquido-aire.
En el segundo intercambiador de calor 33, el aire deshumedecido es dispuesto en relación de intercambio de calor con el subsistema por ciclo de líquido 12 que transporta ahora calor rechazado o energía térmica desaprovechada desde la carga líquida 51. Debido a la relación de intercambio de calor, el segundo intercambiador de calor 33 no sólo calienta el aire deshumedecido, sino que también absorbe la energía térmica desaprovechada desde el subsistema por ciclo de líquido 12. Esto es distinto a sistemas pasados que rechazan calor desde una carga líquida y hacia un suministro y, de este modo, no permiten una recuperación. De nuevo, aunque en función de la optimización, la presente invención contempla que la cantidad de energía térmica recuperada por el segundo intercambiador de calor 33 sea de alrededor del 60% de la energía total disponible para recuperación en el segundo intercambiador de calor 33. La recuperación en el segundo intercambiador de calor 33 se produce de una manera a través de la cual el calor puede ser finalmente transformado en trabajo o energía útil.
En esta realización, la energía recuperada se usa para incrementar la energía introducida en la segunda turbina 38 y resulta en una compresión más alta por parte del compresor 19, como se describe adicionalmente con posterioridad. Como pueden apreciar aquellas personas con experiencia en la técnica, la cantidad recuperada de calor desde el subsistema por ciclo de líquido 12 dentro del segundo intercambiador de calor 33 es al menos parcial, en que el resto va al suministro para la cabina 58 y/o la carga de aire 62. La cantidad recuperada depende de las condiciones de vuelo del avión y de la carga líquida particular 51, en que temperaturas del aire ambiente más altas reducen la cantidad recuperada. Independientemente de la cantidad recuperada, el segundo intercambiador de calor 33 produce aire calentado a partir del aire deshumedecido.
El aire calentado sale del segundo intercambiador de calor 33 a través de un conducto 34 y luego fluye de vuelta al recalentador 25. En el recalentador 25, el aire calentado sirve como medio refrigerante para enfriar el aire entrante que contiene vapor de agua. Desde el recalentador 25 sale aire recalentado a través de un conducto 35 y penetra en una boquilla variable 36, dispuesta opcionalmente, que puede controlar la cantidad de flujo (es decir, la presión) a la segunda turbina 38. La boquilla variable es una parte integrante del diseño de la máquina por ciclo de aire. El aire recalentado sale de la boquilla 36 y se expande en la segunda turbina 38 que está acoplada mecánicamente a la primera turbina 29 a través de un árbol 69. La segunda turbina 38 no sólo expande el aire recalentado sino que también recupera algo del calor rechazado desde el subsistema por ciclo de líquido 12 que fue absorbido por el segundo intercambiador de calor 33. Adicionalmente, la segunda turbina 38 recupera algo del calor de condensación y del enfriamiento sensible rechazados hacia el aire recalentado por el recalentador 25.
El calor recuperado tanto desde el segundo intercambiador de calor 33 como desde el recalentador 25 puede ser usado por la segunda turbina 38, por ejemplo, para incrementar su velocidad rotatoria, elevar su razón de presión, e incrementar la expansión del aire recalentado. Además, y como se ve en la figura 1, la segunda turbina 38 está acoplada mecánicamente al compresor 19 por medio de un árbol 68. De este modo, el calor o la energía absorbidos por la segunda turbina 38 pueden ser convertidos a energía útil por el compresor 19. Consecuentemente, el consumo del aire sangrado 13 por el sistema 10 es reducido en comparación con lo que sería necesario de otro modo en ausencia de la técnica de expansión en dos etapas de la presente invención.
Cuando la segunda turbina 38 expande el aire recalentado, se produce un segundo aire expandido que fluye hacia fuera de la turbina 38 a través de un conducto 39. A continuación, el segundo aire expandido fluye a través del tercer intercambiador de calor 40, que es un intercambiador de calor líquido-aire, con lo que el segundo aire expandido es calentado ahí como resultado de la relación de intercambio de calor entre el segundo aire expandido y el subsistema por ciclo de líquido 12. Aire calentado y expandido sale del tercer intercambiador de calor 40 a través de un conducto 41. Desde el conducto 41, el aire puede moverse a un conducto 59, un conducto 54, o a una válvula de regeneración 42. A través del conducto 59, el flujo penetra en una válvula de control de flujo 60, un conducto 61, y finalmente en la carga de aire 62. A través del conducto 54, el aire fluye a una válvula de control de flujo 55, a un conducto 56, pasando por un sensor de temperatura 57, y luego a la cabina 58. A través de la válvula de regeneración 42, el aire es encaminado al primer intercambiador de calor 23 para actuar como medio refrigerante para el aire entrante que contiene vapor de agua, como se ha descrito anteriormente.
En el caso de que se desee modular el suministro bien a la cabina 58 y/o al aire de carga 62, puede actuarse sobre las válvulas de control de flujo 55, 60 para regular la cantidad de suministro. La temperatura del suministro puede ser también regulada por la válvula de control de flujo 65 que encamina el aire sangrado 13 a través del conducto 18, una válvula de control de temperatura 52, y un conducto 53 de tal forma que el aire sangrado 13 puede ser mezclado en el suministro. Una modulación adicional del sistema de control ambiental 10 puede ser llevada a cabo permitiendo que el aire sangrado 13 fluya a un conducto 67 y a través de una válvula de control de flujo 66 con el fin de calentar el segundo aire expandido procedente de la segunda turbina 38.
De nuevo con referencia a la figura 1, el subsistema por ciclo de líquido 12 es un sistema cerrado y utiliza un refrigerante líquido, tal como polialfaolefina (PAO), para operar como medio refrigerante y como fuente de calor. El refrigerante líquido circula a través del subsistema 12 y cambia su función cuando cambia el proceso de intercambio de calor, como se describe adicionalmente con posterioridad. Con un punto inicial arbitrario, la bomba 43 mueve el refrigerante líquido a través de una tubuladura 44 para recepción por el cuarto intercambiador de calor 45, que es un intercambiador de calor líquido-aire. El proceso de intercambio de calor ahí entre el refrigerante líquido y aire de ventilador enfría el líquido. Entonces, el líquido enfriado fluye hacia el segundo intercambiador de calor 33 por una tubuladura 46. En el segundo intercambiador de calor 33, el calor desaprovechado es rechazado hacia el subsistema por ciclo de aire 11.
Desde el segundo intercambiador de calor 33, líquido enfriado adicionalmente fluye a través de una tubuladura 47 y bien a través del tercer intercambiador de calor 40 o a través de una tubuladura 48 y una válvula de derivación 49. En el tercer intercambiador de calor 40, el líquido rechaza calor desaprovechado adicional (aunque en cantidad mínima) hacia el segundo aire expandido procedente de la segunda turbina 38, enfriando con ello adicionalmente el líquido. Este líquido enfriado adicionalmente sale del tercer intercambiador de calor 40 a través de una tubuladura 50, atraviesa un sensor de temperatura 63, y fluye a la carga líquida 51 para enfriamiento. El sensor de temperatura 63, así como el sensor de temperatura 57, proporciona datos de temperatura a un controlador 64 que actúa sobre la boquilla variable 36 situada corriente arriba de la segunda turbina 38.
Puede apreciarse que la presente invención consigue una reducción en el tamaño del sistema respecto a sistemas de refrigeración por ciclo de aire previos. Como se ha mencionado anteriormente, por ejemplo, extraer agua corriente abajo de la primera turbina 29 permite la eliminación de un condensador grande. La técnica de expansión en 2 etapas permite que el sistema 10 reduzca el consumo de aire sangrado 13 al tratar el aire 13 en múltiples pasos. Por otro lado, en el sistema de control ambiental convencional con separación de agua a alta presión, el aire sangrado a alta presión se expande una vez en la turbina. El uso de aire sangrado está determinado por la demanda de aire de la cabina, los sistemas de aviónica refrigerados por aire forzado, y el aire necesario para satisfacer la demanda de refrigeración de líquido. Generalmente, el uso de aire sangrado es una función del gradiente de temperatura a través del condensador y del intercambiador de calor de carga. El gradiente de temperatura es la diferencia entre la temperatura de descarga de la turbina y la temperatura de suministro a la cabina. La temperatura de descarga de la turbina está dictada por la contrapresión del sistema y la temperatura de suministro a la cabina es un parámetro de diseño. Como puede verse, con una expansión en turbina de una única etapa, el uso del aire sangrado está fijado por estos dos parámetros. Cuando la carga se incrementa o la temperatura de descarga de la turbina se incrementa, es necesario más aire con el fin de cumplir con la misma temperatura de suministro a la cabina.
A diferencia del sistema de control ambiental convencional, la presente invención permite que la temperatura en la descarga del intercambiador de calor 33 aumente por encima del límite de suministro a la cabina y luego se produzca una expansión hasta una temperatura más baja adecuada para el suministro a la cabina en la segunda turbina 38. Este proceso, expandir el aire para absorber la carga y expandir de nuevo para cumplir con el límite de temperatura, permite que el sistema 10 use menos flujo para satisfacer la misma carga. Esta aproximación no se mencionaba o aplicaba, por ejemplo, en la patente de los EE.UU.
nº 5.086.622. En esa patente, el flujo de aire sangrado estaba determinado por la demanda del sistema en la forma de suministro de aire fresco a una cabina y fue diseñado para satisfacer el confort de los pasajeros.
Con referencia aún a la presente invención, un condensador situado corriente arriba de una primera turbina, tal como en la patente de los EE.UU. nº 5.086.622, es de poco valor para funcionamiento a gran altitud cuando hay poca agua en el aire ambiente. De este modo, a gran altitud, el condensador resulta en consumo de combustible desaprovechado. Por otro lado, el segundo intercambiador de calor 33 en la presente invención permanece útil incluso a grandes altitudes. Adicionalmente, y como resultado de las condiciones ambientales, la primera turbina en la patente de los EE.UU.nº 5.086.622 no se usa durante el vuelo y, de este modo, constituye un consumo de combustible meramente desaprovechado. En contraste, la primera turbina 29 en la presente invención se usa durante el vuelo para generar aire de refrigeración. Además, el uso particular de un recalentador y dos turbinas en la presente invención permite una carga equilibrada entre las turbinas, permitiendo con ello que las dos turbinas 29, 38 funcionen en todo momento. Además, la presente invención recupera el calor desaprovechado desde el subsistema por ciclo de líquido de forma que dicho calor puede convertirse en energía útil.
Debe entenderse, por supuesto, que lo que antecede se refiere a realizaciones preferidas de la invención y que pueden hacerse modificaciones sin apartarse del alcance de la invención tal como se expone en las reivindicaciones siguientes.

Claims (9)

1. Un método para acondicionar aire comprimido que contiene vapor de agua para el suministro como aire acondicionado, que comprende los pasos de:
proporcionar un subsistema por ciclo de aire que comprende un primer intercambiador de calor para recibir el aire comprimido que contiene vapor de agua, un recalentador situado corriente abajo de dicho primer intercambiador de calor de tal forma que dicho recalentador recibe el aire comprimido que contiene vapor de agua y puede recalentar aire deshumedecido, una primera turbina situada corriente abajo de dicho recalentador para condensar el aire comprimido que contiene vapor de agua, un segundo intercambiador de calor situado corriente abajo de dicha primera turbina en el que el aire comprimido que contiene vapor de agua es condensado adicionalmente para formar el aire deshumedecido que es comunicado al recalentador, y una segunda turbina situada corriente abajo de dicho segundo intercambiador de calor, en que la segunda turbina expande el aire deshumedecido; y
situar un subsistema por ciclo de líquido en una relación de intercambio de calor con dicho subsistema por ciclo de aire, produciéndose dicha relación de intercambio de calor en dicho segundo intercambiador de calor de tal forma que dicho subsistema por ciclo de aire puede recuperar energía térmica desde dicho subsistema por ciclo de líquido.
2. El método según la reivindicación 1, en el que dicho subsistema por ciclo de aire comprende además un tercer intercambiador de calor situado corriente abajo de dicha segunda turbina.
3. El método según la reivindicación 2, en el que dicha relación de intercambio de calor se produce en dicho tercer intercambiador de calor.
4. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 2-3, en el que dichos intercambiadores de calor segundo y tercero son intercambiadores de calor líquido-aire.
5. El método según una cualquiera o varias de las reivindicaciones 2-4, en el que dicho subsistema por ciclo de líquido comprende dichos intercambiadores de calor segundo y tercero.
6. El método según una cualquiera o varias de las reivindicaciones 1-5, que comprende además un extractor de agua situado corriente abajo de dicha primera turbina.
7. El método según la reivindicación 6, en el que dicho aire deshumedecido es producido por dicho extractor de agua.
8. El método según una cualquiera o varias de las reivindicaciones 1-7, en el que dicho recalentador está situado en posición intermedia entre dicho primer intercambiador de calor y dicha segunda turbina.
9. El método según una cualquiera o varias de las reivindicaciones 2-8, en el que una salida de líquido desde dicho tercer intercambiador de calor enfría una carga líquida.
ES00973464T 1999-10-12 2000-10-12 Sistema de control ambiental por ciclo de aire dotado de un subsistema por ciclo de liquido. Expired - Lifetime ES2200961T3 (es)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US416713 1999-10-12
US09/416,713 US6250097B1 (en) 1999-10-12 1999-10-12 Dual expansion energy recovery (DEER) air cycle system with mid pressure water separation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2200961T3 true ES2200961T3 (es) 2004-03-16

Family

ID=23651004

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES00973464T Expired - Lifetime ES2200961T3 (es) 1999-10-12 2000-10-12 Sistema de control ambiental por ciclo de aire dotado de un subsistema por ciclo de liquido.

Country Status (7)

Country Link
US (1) US6250097B1 (es)
EP (1) EP1220777B1 (es)
JP (1) JP2003511311A (es)
AT (1) ATE244662T1 (es)
DE (1) DE60003832T2 (es)
ES (1) ES2200961T3 (es)
WO (1) WO2001026967A1 (es)

Families Citing this family (71)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6845630B2 (en) * 2001-02-16 2005-01-25 Hamilton Sundstrand Corporation Electric power and cooling system for an aircraft
US6408641B1 (en) * 2001-03-27 2002-06-25 Lockheed Martin Corporation Hybrid turbine coolant system
US6615606B2 (en) 2002-01-10 2003-09-09 Hamilton Sundstrand Dual turbine bootstrap cycle environmental control system
MXPA04009982A (es) 2002-04-11 2006-02-22 Richard A Haase Metodos, procesos, sistemas y aparatos con tecnologia de combustiion de agua, para la combustion de hidrogeno y oxigeno.
US7188488B2 (en) * 2003-03-12 2007-03-13 Hamilton Sundstrand Pack and a half condensing cycle pack with combined heat exchangers
US7000425B2 (en) * 2003-03-12 2006-02-21 Hamilton Sundstrand Manifold for pack and a half condensing cycle pack with combined heat exchangers
US6848261B2 (en) * 2003-04-03 2005-02-01 Honeywell International Inc. Condensing cycle with energy recovery augmentation
DE10361658B4 (de) * 2003-12-30 2008-05-08 Airbus Deutschland Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum Beheizen einer Flugzeugkabine
DE102004010366B4 (de) * 2004-03-03 2008-03-27 Liebherr-Aerospace Lindenberg Gmbh System zur Druckluftaufbereitung
US7059136B2 (en) * 2004-08-27 2006-06-13 General Electric Company Air turbine powered accessory
US7171819B2 (en) * 2005-01-21 2007-02-06 Honeywell International, Inc. Indirect regenerative air cycle for integrated power and cooling machines
FR2894563B1 (fr) * 2005-12-14 2009-06-05 Liebherr Aerospace Toulouse Sa Circuit et procede pour realiser des echanges thermiques par fluide caloporteur dans un systeme de controle environnemental d'aeronef.
DE102007014002B4 (de) * 2007-03-23 2012-09-06 Airbus Operations Gmbh Kühlsystem und Frachtcontainer
US8656727B2 (en) * 2008-04-08 2014-02-25 The Boeing Company Evaporative cooling for an aircraft subsystem
US8936071B2 (en) * 2009-11-10 2015-01-20 Hamilton Sundstrand Corporation Hybrid cooling system for aircraft applications
US8151569B2 (en) * 2009-11-17 2012-04-10 Stallings James R System and method for transmitting thermal energy
DE102010021890A1 (de) * 2010-05-28 2011-12-01 Airbus Operations Gmbh Klimatisierungssystem für ein Flugzeug mit Hybrid-Betrieb
KR101010525B1 (ko) * 2010-07-30 2011-01-25 국방과학연구소 고온 유체의 냉각장치, 이를 구비하는 비행체 및 고온 유체의 냉각방법
CA2953529A1 (en) * 2014-07-03 2016-01-07 General Electric Company Jet engine cold air cooling system
US9598175B2 (en) * 2015-04-24 2017-03-21 Hamilton Sundstrand Corporation Modular environmental air conditioning system
US10260419B2 (en) 2015-07-31 2019-04-16 General Electric Company Cooling system
US9789967B2 (en) * 2015-12-16 2017-10-17 Hamilton Sundstrand Corporation Environmental control system
US10730630B2 (en) * 2016-01-14 2020-08-04 Hamilton Sundstrand Corporation Low pressure pack
US11125165B2 (en) 2017-11-21 2021-09-21 General Electric Company Thermal management system
US11187156B2 (en) 2017-11-21 2021-11-30 General Electric Company Thermal management system
US11022037B2 (en) 2018-01-04 2021-06-01 General Electric Company Gas turbine engine thermal management system
US10501191B1 (en) * 2018-01-17 2019-12-10 Northrop Grumman Systems Corporation Integrated aircraft cooling machine
US10941706B2 (en) 2018-02-13 2021-03-09 General Electric Company Closed cycle heat engine for a gas turbine engine
US11143104B2 (en) 2018-02-20 2021-10-12 General Electric Company Thermal management system
US11148813B2 (en) 2018-04-03 2021-10-19 Hamilton Sundstrand Corporation Liquid reheater heat exchanger in an air cycle system
US11174789B2 (en) 2018-05-23 2021-11-16 General Electric Company Air cycle assembly for a gas turbine engine assembly
US20200086998A1 (en) * 2018-09-13 2020-03-19 Hamilton Sundstrand Corporation Two-turbine environmental control system
US11186382B2 (en) 2018-11-02 2021-11-30 General Electric Company Fuel oxygen conversion unit
US11161622B2 (en) 2018-11-02 2021-11-02 General Electric Company Fuel oxygen reduction unit
US11577852B2 (en) 2018-11-02 2023-02-14 General Electric Company Fuel oxygen conversion unit
US11420763B2 (en) 2018-11-02 2022-08-23 General Electric Company Fuel delivery system having a fuel oxygen reduction unit
US11148824B2 (en) 2018-11-02 2021-10-19 General Electric Company Fuel delivery system having a fuel oxygen reduction unit
US11447263B2 (en) 2018-11-02 2022-09-20 General Electric Company Fuel oxygen reduction unit control system
US11193671B2 (en) 2018-11-02 2021-12-07 General Electric Company Fuel oxygen conversion unit with a fuel gas separator
US11319085B2 (en) 2018-11-02 2022-05-03 General Electric Company Fuel oxygen conversion unit with valve control
US11085636B2 (en) 2018-11-02 2021-08-10 General Electric Company Fuel oxygen conversion unit
US11851204B2 (en) 2018-11-02 2023-12-26 General Electric Company Fuel oxygen conversion unit with a dual separator pump
US11131256B2 (en) 2018-11-02 2021-09-28 General Electric Company Fuel oxygen conversion unit with a fuel/gas separator
US11391211B2 (en) 2018-11-28 2022-07-19 General Electric Company Waste heat recovery system
US11015534B2 (en) 2018-11-28 2021-05-25 General Electric Company Thermal management system
US11067000B2 (en) 2019-02-13 2021-07-20 General Electric Company Hydraulically driven local pump
US10914274B1 (en) 2019-09-11 2021-02-09 General Electric Company Fuel oxygen reduction unit with plasma reactor
US11774427B2 (en) 2019-11-27 2023-10-03 General Electric Company Methods and apparatus for monitoring health of fuel oxygen conversion unit
US11492127B2 (en) * 2019-12-19 2022-11-08 Hamilton Sundstrand Corporation Air cycle machines, air cycle machine systems, and methods of controlling air flow in air cycle machines
US20210188449A1 (en) * 2019-12-19 2021-06-24 Hamilton Sundstrand Corporation Air cycle machines, air cycle machine systems, and methods of controlling air flow in air cycle machines
US11767121B2 (en) 2020-02-07 2023-09-26 Hamilton Sundstrand Corporation Optimized environmental control system for military aircraft
US11773776B2 (en) 2020-05-01 2023-10-03 General Electric Company Fuel oxygen reduction unit for prescribed operating conditions
US11906163B2 (en) 2020-05-01 2024-02-20 General Electric Company Fuel oxygen conversion unit with integrated water removal
US11866182B2 (en) 2020-05-01 2024-01-09 General Electric Company Fuel delivery system having a fuel oxygen reduction unit
US11378193B2 (en) 2020-06-22 2022-07-05 Northrop Grumman Systems Corporation Axial diverter/mixing valve
US11851191B2 (en) 2020-07-30 2023-12-26 Hamilton Sundstrand Corporation Aircraft environmental control system
EP3945026A1 (en) 2020-07-30 2022-02-02 Hamilton Sundstrand Corporation Aircraft environmental control system
EP3945029B1 (en) 2020-07-30 2024-03-06 Hamilton Sundstrand Corporation Aircraft environmental control system
US11377218B1 (en) * 2020-12-17 2022-07-05 Hamilton Sundstrand Corporation Flexible turbine arrangement air cycle machine with adaptive heat exchanger
US20220213802A1 (en) 2021-01-06 2022-07-07 General Electric Company System for controlling blade clearances within a gas turbine engine
US11434824B2 (en) 2021-02-03 2022-09-06 General Electric Company Fuel heater and energy conversion system
US20220252011A1 (en) * 2021-02-08 2022-08-11 General Electric Company Vehicle with energy conversion system
US11591965B2 (en) 2021-03-29 2023-02-28 General Electric Company Thermal management system for transferring heat between fluids
US12115470B2 (en) 2021-04-27 2024-10-15 General Electric Company Fuel oxygen reduction unit
US12005377B2 (en) 2021-06-15 2024-06-11 General Electric Company Fuel oxygen reduction unit with level control device
US11674396B2 (en) 2021-07-30 2023-06-13 General Electric Company Cooling air delivery assembly
US11920500B2 (en) 2021-08-30 2024-03-05 General Electric Company Passive flow modulation device
US20230079592A1 (en) * 2021-09-16 2023-03-16 Gulfstream Aerospace Corporation Vehicle, environmental control system, and method for operating an environmental control system
US11542870B1 (en) 2021-11-24 2023-01-03 General Electric Company Gas supply system
US11692448B1 (en) 2022-03-04 2023-07-04 General Electric Company Passive valve assembly for a nozzle of a gas turbine engine
US12078379B2 (en) 2022-07-01 2024-09-03 Hamilton Sundstrand Corporation Split regeneration environmental control system

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4430867A (en) * 1981-08-24 1984-02-14 United Technologies Corporation Air cycle refrigeration system
US4535606A (en) * 1983-12-09 1985-08-20 United Technologies Corporation High efficiency air cycle air conditioning system
US4550573A (en) * 1983-12-12 1985-11-05 United Technologies Corporation Multiple load, high efficiency air cycle air conditioning system
GB8613306D0 (en) * 1986-06-02 1986-07-09 Normalair Garrett Ltd Air cycle cooling systems
US5086622A (en) 1990-08-17 1992-02-11 United Technologies Corporation Environmental control system condensing cycle
US5461882A (en) * 1994-07-22 1995-10-31 United Technologies Corporation Regenerative condensing cycle
US5553461A (en) 1995-01-11 1996-09-10 Grumman Aerospace Corporation Anti-icing heat exchanger for aircraft air cycle performance enhancement
US5906111A (en) 1997-07-11 1999-05-25 Alliedsignal Inc. Liquid cooled high pressure separation for air cycle cooling system

Also Published As

Publication number Publication date
ATE244662T1 (de) 2003-07-15
DE60003832T2 (de) 2004-05-27
JP2003511311A (ja) 2003-03-25
WO2001026967A1 (en) 2001-04-19
US6250097B1 (en) 2001-06-26
DE60003832D1 (de) 2003-08-14
EP1220777A1 (en) 2002-07-10
EP1220777B1 (en) 2003-07-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2200961T3 (es) Sistema de control ambiental por ciclo de aire dotado de un subsistema por ciclo de liquido.
EP0994806B1 (en) Air cycle environmental control system with vapor cycle system assisted condensation
US5887445A (en) Two spool environmental control system
ES2275045T3 (es) Sistema de climatizacion para aviones.
US6381969B1 (en) ECS with 2-stage water separation
US6148622A (en) Environmental control system no condenser high pressure water separation system
JP4906225B2 (ja) 2つのエアサイクルマシンを利用する環境制御装置
US6128909A (en) Air cycle environmental control systems with two stage compression and expansion and separate ambient air fan
CN107531330B (zh) 操作阶段相关的可控制的飞机空调系统和操作这种飞机空调系统的方法
US6457318B1 (en) Recirculating regenerative air cycle
ES2249645T3 (es) Deshumectacion de aire en instalaciones de aire acondicionado con circuito de aire.
US5906111A (en) Liquid cooled high pressure separation for air cycle cooling system
KR20230019168A (ko) 배터리 구동형 차량을 위한 간접 배터리 가열을 구현한 히트 펌프 장치 및 히트 펌프 장치의 작동 방법
KR20150100627A (ko) 항공기용 공조 방법 및 시스템
US5924293A (en) Air cycle environmental control system with fully energy regenerative high pressure water condensation and extraction
US2691274A (en) Air conditioning system for aircraft cabins
JP4211196B2 (ja) 航空機用空気調和装置
US5921093A (en) Air cycle environmental control system with energy regenerative high pressure water condensation and extraction
JP4114277B2 (ja) 航空機用空気調和装置
JP2001071999A (ja) 航空機用空気調和装置
EP1441947A1 (en) Recirculating regenerative air cycle