ES2255944T3 - Sistema de climatizacion para cabinas de avion. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para tratar aire para climatizar un espacio, que comprende los siguientes pasos: - extracción de una primera corriente de aire parcial, sometida a sobrepresión, desde un grupo motopropulsor o grupo motopropulsor auxiliar, la llamada corriente de aire extraído, - extracción y compresión de una segunda corriente de aire parcial desde el entorno, - reunión de la corriente de aire extraído y de la corriente de aire ambiente comprimida para formar una corriente de aire de mezcla, - depresionado de la corriente de aire de mezcla y - reconducción de la corriente de aire de mezcla para climatizar un espacio, siendo guiada la corriente de aire extraído a lo largo de la corriente de aire de mezcla en un intercambiador de calor (REH) diseñado como reheater, de forma que intercambia calor, para refrigerar la corriente de aire extraído antes de su reunión con la corriente de aire ambiente.
Description
Sistema de climatización para cabinas de
avión.
La invención se refiere a un sistema de
climatización para tratar aire sometido a sobrepresión para
climatizar un espacio, en especial para climatizar cabinas de avión,
y a un procedimiento correspondiente.
El aire fresco para climatizar cabinas de avión
se trata normalmente a partir del aire extraído del grupo
motopropulsor con presión elevada y temperatura elevada, el llamado
aire extraído ("bleed"). Los sistemas de climatización extraen
la potencia refrigeradora necesaria para el tratamiento del
potencial de presión y temperatura del aire precomprimido del grupo
motopropulsor. El aire extraído se enfría en el transcurso del
proceso de tratamiento de aire fresco y se depresiona a la presión
de cabina de 1 bar en servicio de tierra o aproximadamente 0,8
bares en servicio de vuelo. En el transcurso del tratamiento de aire
fresco el aire también se deshumedece, para impedir una congelación
de componentes aisladas del sistema de climatización y una
formación de cristales de hielo en el aire fresco a tratar. La
necesidad de la deshumectación existe evidente y fundamentalmente
en servicio de tierra, ya que en servicio de vuelo, es decir, a
grandes altitudes, el aire ambiente y con ello el aire extraído del
grupo motopropulsor es de todos modos extremadamente seco.
Con base en la figura 4 se describe a
continuación un sistema de climatización, como el que se utiliza en
los aviones de pasajeros actuales de Airbus y Boeing, por ejemplo el
A330/340 y Boe 757/767.
A través de una válvula reguladora de caudal FCV
("Flow Control Valve") se extrae de un grupo motopropulsor
aquella cantidad de aire extraído ("bleed") y se alimenta al
sistema con 1,5 a 3,5 bares y de 150ºC a 230ºC, que se necesita
para abastecer de aire fresco a la cabina. En servicio de tierra el
aire extraído se toma de un grupo motopropulsor auxiliar y se
alimenta al sistema con unos 3 bares. El aire extraído se conduce
primero a través de un intercambiador de calor primario PHX
("Primary Heat Exchanger") y se enfría a unos 100ºC. Después
el aire extraído se sigue comprimiendo en un compresor C
("Compressor") a unos 4,5 bares y 160ºC y se vuelve a enfriar
en un intercambiador de calor principal ("Main Heat Exchanger")
hasta 45ºC. La elevada presión de 4,5 bares es necesaria para poder
materializar en el siguiente circuito de separación de agua un
elevado grado de deshumectación. Este sistema se conoce por ello
también como "circuito de separación de agua de alta
presión".
El circuito de separación de agua de alta presión
comprende un condensador CON ("Condensor") como el que se
propone en el documento EP 0 019 493 A3, y un separador de agua WE
("Water Extractor") postconectado al condensador CON. El aire
extraído comprimido refrigerado se enfría en el condensador CON
aproximadamente en \DeltaT = -15K, después el agua condensada se
separa en el separador de agua WE y, a continuación, el aire
deshumedecido se depresiona en una turbina T a la presión de cabina
de aproximadamente 1 bar, siendo la temperatura a la salida de la
turbina de unos -30ºC. El aire extraído así tratado se conduce,
incluso antes de que se mezcle como aire fresco en una cámara de
mezclado con aire de cabina recirculado, de forma que intercambia
calor a través del condensador CON del circuito de separación de
agua de alta presión, para enfriar el aire extraído comprimido
refrigerado a la temperatura necesaria para separar el agua en el
separador de agua WE. Con ello se calienta de nuevo el aire
depresionado y refrigerado en la turbina T, de forma
correspondiente, en \DeltaT = -15ºK hasta unos -15ºC.
El aire climatizado se mezcla después en una
cámara de mezclado no representada con aire de cabina recirculado.
Por medio de una válvula reguladora de temperatura TCV puede
aumentarse la temperatura a la salida de la turbina, para obtener
una temperatura de mezcla óptima con el aire de cabina mezclado
recirculado. Con este fin se deriva del aire extraído
pre-refrigerado en el
pre-intercambiador de calor PHX una parte y se
alimenta de nuevo, detrás de la turbina T, a la corriente de aire
tratada.
En el circuito de separación de agua de alta
presión se ha previsto, además del condensador CON, un
intercambiador de calor REH ("Reheater") preconectado al
condensador CON. Mediante el intercambiador de calor REH se conduce
primero el aire extraído comprimido refrigerado, antes de que entre
en el condensador CON y, a continuación, se conduce de nuevo a
través del intercambiador de calor REH el aire después
deshumedecido, antes de que entre en la turbina T. El
intercambiador de calor REH tiene con ello fundamentalmente la tarea
de calentar el aire deshumedecido en aproximadamente \DeltaT =
5ºK, y vaporizar del aire deshumedecido humedad residual al mismo
tiempo que una recuperación de energía, antes de que entre aire en
la turbina. Esto es debido a la humedad residual en forma de gotas
finas puede destruir las superficies de la rueda de turbina y las
toberas de turbina (nozzles), ya que el aire en la turbina T alcanza
casi la velocidad del sonido. Una segunda función del
intercambiador de calor REH consiste en descargar el condensador
CON, por medio de que el aire extraído comprimido refrigerado,
antes de su entrada en el condensador CON, se enfríe de forma
correspondiente en \DeltaT = -5ºK.
La energía obtenida en la turbina T se utiliza
para, por un lado, accionar el compresor C y, por otro lado, un
ventilador F ("Fan"). Las tres ruedas, es decir
turbina/compresor/soplador están dispuestas sobre un árbol común y
forman la Air Cycle Machine ACM, que también recibe el nombre de
máquinas de tres ruedas. El ventilador F transporta una corriente
de aire de refrigeración derivada del aire ambiente a través de un
conducto de refrigeración, en el que están dispuestos los
intercambiadores de calor primario y principal PHX, MHX. El
ventilador F debe accionarse en especial en servicio de tierra
activamente mediante la turbina T. En servicio de vuelo es
suficiente el aire de contención ("ram air") para accionar el
ventilador que, dado el caso a través de una compuerta regulable,
puede estrangularse a la entrada del conducto de refrigeración.
Todo el sistema está diseñado para el servicio de
tierra a una temperatura ambiente de 38ºC. Para optimizar la
efectividad del proceso de intercambio de calor en el conducto de
refrigeración se alimenta el agua obtenida en el circuito de
separación de agua de alta presión, a una temperatura de
aproximadamente T = 25ºC y una presión de 3,5 bares, a la entrada
del conducto de refrigeración en gotas finas para vaporizarse allí,
con lo que se mejora la efectividad del intercambiador de calor.
Para el caso en el que la Air Cycle Machine ACM
se averíe por completo, porque por ejemplo no puede alcanzarse el
caudal másico de aire comprimido necesario para cumplir los
parámetros necesarios para el funcionamiento del sistema, se ha
previsto una válvula de derivación BPV ("Bypass Valve"), para
puentear la turbina T. En este caso se abre automáticamente una
válvula de sobrecarga CV ("Check Valve"), por medio de que
antes del compresor C se crea una sobrepresión, si falla el
accionamiento mediante la turbina T, que activa la válvula de
sobrecarga CV. Mediante la apertura de la válvula de sobrecarga CV
se puentea o "cortocircuita" el compresor C. En este estado se
alimenta el aire fresco, directamente mediante el intercambiador de
calor previo y principal PHX, MHX, directamente a la cámara de
mezclado postconectada al sistema de climatización para mezclarse
con aire de cabina recirculada.
Como se ha citado al principio, la formación de
hielo representa un problema en el aire fresco tratado. Para evitar
la formación de hielo se ha previsto una válvula de deshielo AIV
("Anti Icing Valve"), con la que del aire extraído
directamente del grupo motopropulsor se deriva una parte y se vuelve
a alimentar, detrás de la turbina T, a la corriente de aire
tratada.
Una variante mejorada termodinámicamente de este
sistema de climatización prevé que la Air Cycle Machine ACM se
amplíe en una segunda turbina. De la máquina de tres ruedas
turbina/compresor/ventilador se obtiene una máquina de cuatro
ruedas turbina/turbina/compresor/ventilador (documento US 5,086,
622). La segunda turbina está dispuesta con las restantes ruedas
sobre un árbol común para, como en el sistema de tres ruedas
habitual, reconducir la energía obtenida de las turbinas al sistema
de climatización. La segunda turbina complementa la primera turbina
de tal modo, que el aire deshumedecido en el circuito de separación
de agua de alta presión se depresiona en dos etapas, estando
dispuesto el condensador del circuito de separación de agua de alta
presión, de forma que intercambia calor, con el conducto de aire
entre las dos turbinas. Esto es energéticamente más favorable que
la estructura habitual del sistema de climatización, ya que el aire
que sale de la primera turbina es relativamente caliente, para
evitar el hielo con preferencia superior a 0ºC, y este aire en el
condensador CON se calienta por ejemplo en \DeltaT = +15ºK hasta
un nivel energético relativamente elevado, de tal modo que la
segunda turbina pueda aprovechar este elevado nivel energético para
obtener energía, que se pierde en el sistema habitual. En círculos
especializados este sistema recibe el nombre de
"condensing-cycle".
Ha demostrado ser problemático en el caso de los
sistemas de climatización descritos anteriormente la extracción del
aire fresco a tratar directamente del grupo motopropulsor. Esto se
debe a que conforme se reduce el caudal de aire del grupo
motopropulsor, con una potencia uniforme, aumenta la temperatura del
grupo motopropulsor. Sin embargo, debido a que los grupos
motopropulsores funcionan ya en su límite de temperatura superior
autorizado, una extracción del aire a tratar desde el grupo
motopropulsor está ligada forzosamente a una reducción de la
potencia del grupo motopropulsor.
Ya se ha propuesto anteriormente aspirar del aire
ambiente y comprimir el aire fresco necesario para climatizar la
cabina de avión mediante un compresor accionado por separado. La
potencia de accionamiento para ello necesaria y las máquinas de
accionamiento necesarias de forma correspondiente son, sin embargo,
enormemente grandes y pesadas, lo que no es compatible con los
requisitos impuestos a un avión.
Con relación a esto también se ha propuesto
aspirar del entorno una parte del aire fresco necesario por medio
de un compresor accionado por la turbina, comprimirlo y alimentarlo
a la corriente de aire extraído, para que se depresione como
corriente de aire de mezcla en la turbina y se refrigere por medio
de esto. Sin embargo, es difícil transformar un sistema así de
forma energéticamente favorable y constructivamente aceptable, en
especial con relación a una forma constructiva compacta y menos
compleja así como con poco peso.
En el documento US 5,299,763 se propone unificar
la corriente de aire ambiente y la corriente de aire extraído en la
turbina. Sin embargo, este sistema no ha podido implantarse. En este
sistema es necesario en especial materializar dos circuitos de
separación de agua de alta presión, con los correspondientes
inconvenientes de peso y forma constructiva compleja. También la
turbina usada para ello es extremadamente compleja a causa de su
división en dos y no es óptima desde el punto de vista del grado de
eficacia.
Por ello la tarea de la presente invención es
proponer un sistema de climatización y un procedimiento de
climatización con separación de agua efectiva, que presente un
elevado grado de eficacia, limite sólo un poco la potencia del
grupo motopropulsor y evite los inconvenientes constructivos antes
citados.
Esta tarea es resuelta mediante un sistema de
climatización y un procedimiento de climatización con las
particularidades indicadas en las reivindicaciones subordinadas y
las reivindicaciones dependientes de las mismas.
Para esto se ha previsto que sólo una parte del
aire fresco a tratar, con una presión relativamente elevada, se
extraiga del grupo motopropulsor (aire extraído). La otra parte del
aire fresco a tratar se aspira del aire ambiente, con preferencia
como aire de contención ("ram air"), se comprime y se une a la
corriente de aire extraído sometida a sobrepresión para formar una
corriente de aire de mezcla. La corriente de aire de mezcla se
depresiona después, con preferencia en una o varias etapas de
turbina. La energía obtenida durante la depresión puede
aprovecharse regenerativamente para comprimir la corriente de aire
ambiente aspirada.
Para solucionar la tarea antes citada está
previsto además que la corriente de aire extraído sea guiada a lo
largo de la corriente de aire de mezcla, de forma que intercambia
calor, para refrigerar la corriente de aire extraído antes de
guiarse junto a la corriente de aire ambiente. Esto es esencial para
una separación de agua efectiva desde la corriente de aire
extraído. La efectividad de la separación de agua se obtiene en
especial de que el caudal másico de aire de mezcla más frío, guiado
a lo largo del caudal másico de aire extraído, es relativamente
grande con relación al caudal másico de aire extraído, con
preferencia en una relación de aproximadamente 100 a 65.
Es especialmente ventajoso que la corriente de
aire extraído se guíe dos veces a lo largo de la corriente de aire
de mezcla, de forma que intercambia calor, precisamente una vez
antes de que se depresione la corriente de aire de mezcla y otra
vez después que se haya depresionado la corriente de aire de
mezcla.
El agua se separa después con preferencia de la
corriente de aire de mezcla antes de la depresión de la corriente
de aire de mezcla, pero también o adicionalmente puede separarse ya
antes de la corriente de aire ambiente comprimido o de la corriente
de aire extraído enfriada.
El sistema de climatización conforme a la
invención con la muy efectiva separación de agua de la corriente de
aire extraído hace posible el uso de un único circuito de separación
de agua y de una turbina habitual, postconectada al circuito de
separación de agua, para depresionar la corriente de aire de mezcla.
El sistema comprende aproximadamente el mismo número de componentes
que un sistema de climatización, en el que toda la corriente de
aire de refrigeración a tratar se extrae del grupo motopropulsor. El
guiado de circulación especial de la corriente de aire extraído y
de la corriente de aire ambiente comprimida, a través de estos
componentes del sistema, produce un sistema de climatización con
separación de agua efectiva que presenta un elevado grado de
efectividad, en donde se limita sólo un poco la potencia del grupo
motopropulsor y el sistema puede ejecutarse de forma compacta y
menos compleja con un peso reducido, además de que no se necesita
ningún componente adicional.
El sistema de climatización conforme a la
invención posee de este modo dos circuitos, un primer circuito para
el aire extraído y un segundo circuito para el aire ambiente que se
reúnen en un punto de mezcla, en el que se ajusta para los dos
circuitos la misma presión, es decir, la presión media. Esta
estructura exige que una modificación de los parámetros en uno de
los circuitos incida automáticamente en cada caso en el otro
circuito, de tal modo que se obtiene un sistema conjunto
autoajustable.
En el punto de mezcla se ajusta una presión
media, que está situada entre la presión del aire extraído del
grupo motopropulsor y la presión ambiental o presión de remanso. El
aire extraído se alimenta al sistema con una presión en un margen
de entre 1,5 bares en servicio de vuelo y 4 bares en servicio de
tierra, con preferencia 2 bares o 3,5 bares. El sistema conjunto se
diseña después con preferencia de tal modo que, en el caso de una
relación entre el caudal másico de aire extraído y el caudal másico
de aire ambiente comprimido de aproximadamente 65:35 en el punto
medio, se ajusta en servicio de tierra una presión del aire de
mezcla de aproximadamente 3,4 bares.
Tanto el aire extraído como el aire ambiente
comprimido se enfrían, con la finalidad del enfriamiento y de la
subsiguiente separación de agua, en primer lugar en cada caso en un
proceso de intercambio de calor, por ejemplo en contracorriente
cruzada, con una corriente de aire de refrigeración formada por aire
ambiente no comprimido y por ello relativamente frío. El
intercambiador de calor para enfriar la corriente de aire ambiente
y el intercambiador de calor para enfriar la corriente de aire
extraído están conectados ventajosamente en serie, de tal modo que
por ellos circula consecutivamente la corriente de aire de
refrigeración formada por aire ambiente no comprimido. Por medio de
esto el canal de circulación para la corriente de aire de
refrigeración puede mantenerse relativamente estrecho y
configurarse de forma compacta, lo que tiene un efecto positivo
sobre el peso del sistema conjunto. El intercambiador de calor está
dispuesto con preferencia, para enfriar el aire ambiente
comprimido, delante del intercambiador de calor para enfriar el aire
extraído, para poder enfriar la corriente de aire ambiente con
aprovechamiento de la caída de temperatura máxima hasta una
temperatura tan baja, que se condense agua a partir de la corriente
de aire ambiente
comprimida.
comprimida.
El grado de eficacia del sistema conjunto puede
optimizarse mediante el diseño apropiado del intercambiador de
calor correspondiente. Se consigue un elevado grado de eficacia del
intercambiador para el aire extraído mediante una elevada densidad
de aleta, pudiéndose tener en cuenta una elevada caída de presión a
través del intercambiador de calor, ya que el aire extraído se
extrae de todas formas del grupo motopropulsor en el caso de una
presión relativamente elevada.
La relación de caudal másico de aire entre el
aire extraído del grupo motopropulsor y el aire ambiente comprimido
es elevada y es con preferencia aproximadamente de 65:35. A causa
del relativamente escaso caudal másico del aire ambiente
comprimido, el intercambiador de calor puede diseñarse para enfriar
el aire ambiente comprimido con un elevado grado de eficacia y una
menor densidad de aleta, produciéndose una menor pérdida de presión
a través de este intercambiador de calor. El grado de eficacia es
especialmente alto, en especial cuando todo el caudal másico de
refrigeración se aprovecha para refrigerar la corriente de aire
ambiente relativamente pequeña (es decir, en el caso de conexión en
serie del intercambiador de calor en el canal de circulación de
aire de refrigeración) y cuando además, con preferencia, toda la
potencia de refrigeración se pone a disposición de este
intercambiador de calor a partir de la vaporización del agua
obtenida en el circuito de separación de agua de alta presión.
Una configuración adicional de la invención prevé
que la depresión del aire de mezcla se realice en dos etapas de
turbina, estando dispuesto el condensador del circuito de separación
de agua de alta presión entre las dos etapas de turbina. Mediante
esta medida puede mejorarse más el grado de eficacia del sistema.
De forma ventajosa se separa con ello agua del aire de mezcla en un
separador de agua adicional, después de que el aire de mezcla se
haya depresionado en la primera etapa de turbina. Esta separación de
agua adicional no sólo es ventajosa en el sistema de climatización
conforme a la invención aquí descrito, sino en cada sistema con
depresión en dos etapas y condensador dispuesto entre ambas.
Otra configuración adicional de la invención
prevé que no sólo la depresión de la corriente de aire de mezcla,
sino también la compresión del aire ambiente aspirado se realice en
dos etapas, estando dispuestas en cada caso una rueda de turbina y
una rueda de compresor sobre un árbol común. En total se han
previsto entonces dos árboles separados entre sí, en cada caso con
una rueda de turbina y una rueda de compresor. Por medio de esto
puede conseguirse un diseño bastante más flexible del sistema
conjunto y, de este modo, un grado de eficacia todavía mayor en
especial en servicio de vuelo.
En todas las ejecuciones antes citadas de la
invención también puede estar previsto un motor, de forma
ventajosa, sobre un árbol común con la rueda de turbina y la rueda
de compresor. Este motor hace posible poder alimentar al sistema de
climatización, en el caso de cargas máximas, adicionalmente energía
para generar una cantidad de aire fresco y/o una potencia de
refrigeración adicionales. Con relación a la forma de ejecución de
la invención, en la que están previstos dos árboles con en cada caso
una rueda de turbina y una rueda de compresor, este motor puede
usarse también como generador en especial en servicio de vuelo.
A continuación se describe a modo de ejemplo la
invención con base en las figuras 1 a 4. Las figuras muestran:
la figura 1 un esquema de un sistema de
climatización conforme a la invención;
la figura 2 un esquema de una forma de ejecución
mejorada del sistema de la figura 1;
la figura 3 un esquema de otra forma de ejecución
mejorada del sistema de la figura 2; y
la figura 4 un sistema de climatización según el
estado de la técnica.
La figura 1 muestra un sistema de climatización,
que comprende un circuito de aire extraído y otro circuito para
aire aspirado del entorno ("circuito de aire ambiente"). El
circuito de aire extraído se corresponde en gran parte con el
sistema de climatización descrito con base en la figura 4 con
relación al estado de la técnica. Evidentemente la corriente de
aire extraído no sigue comprimiéndose tras pasar por el
intercambiador de calor primario PHX, sino que se traslada
directamente al circuito de separación de agua de alta presión. No
se requiere una compresión de la corriente de aire extraído, porque
el aire se extrae de todas formas del grupo motopropulsor en el
caso de una presión relativamente elevada. Debido a que la etapa de
compresión ya no es necesaria, tampoco es necesario que la corriente
de aire extraído se conduzca a través del segundo intercambiador de
calor MHX.
En detalle, el circuito de corriente de aire
extraído está estructurado de la siguiente manera. A través de
la válvula de regulación de caudal FCV se extrae del grupo
motopropulsor, en el caso de presión elevada, una parte de la
corriente de aire fresco a tratar y se pone a disposición del
sistema de climatización con una presión de entrada en un margen de
entre 1,5 bares en servicio de vuelo y 4 bares en servicio de
tierra, con preferencia 3,5 bares en servicio de tierra. La
corriente de aire extraído se conduce después a través de un
intercambiador de calor de aire de contención o intercambiador de
calor primario PHX y se enfría. En un circuito de separación de
agua de alta presión se produce después un enfriamiento ulterior de
la corriente de aire extraído, para precipitar humedad desde la
corriente de aire extraído. Para esto se guía primero la corriente
de aire extraído en un intercambiador de calor REH a lo largo de una
corriente de aire de mezcla más fría, formada por corriente de aire
extraído y corriente de aire ambiente comprimida (incluso antes de
que la corriente de aire de mezcla se depresione en una turbina
subsiguiente). A continuación de esto se guía la corriente de aire
extraído así pre-refrigerada, a través de un
intercambiador de calor CON que actúa como condensador, de nuevo a
lo largo de la corriente de aire de mezcla (en donde la corriente de
aire de mezcla se ha depresionado sin embargo, entretanto, en la
turbina T y de forma correspondiente se ha enfriado mucho). La
corriente de aire extraído, que tiene antes de entrar en el
intercambiador de calor primario PHX una temperatura de unos 200ºC
y antes de entrar en el intercambiador de calor REH una temperatura
de unos 50ºC, llega después con una temperatura de unos 30ºC al
punto de mezcla "X", en donde se reúne con aire ambiente
tratado. Con preferencia, hasta después de la mezcla de la
corriente de aire extraído con la corriente de aire ambiente
comprimida no se separa el líquido precipitado de la corriente de
aire extraído en un intercambiador de agua WE2. El separador de
agua WE1 representado detrás del condensador CON en la figura 1 es
opcional y puede preverse adicionalmente al o en lugar del
separador de agua WE2.
La corriente de aire de mezcla se guía, una vez
realizada la separación de agua en el separador de agua WE2 y antes
de que se depresione en la turbina T, a lo largo de la corriente de
aire extraído en el intercambiador de calor REH diseñado como
reheater de forma que intercambia calor, con lo que se calienta de
forma insignificante la corriente de aire de mezcla. Por medio de
esto se descarga por un lado el condensador CON en el circuito de
separación de agua de alta presión y, por otro lado, se protege la
turbina T de daños mediante gotitas de agua contenidas en la
corriente de aire de mezcla, que se vaporizan al circular por el
reheater REH. Después del depresionado y de la refrigeración de la
corriente de aire de mezcla en la turbina T se conduce la corriente
de aire de mezcla a través del condensador CON, de forma que
intercambia calor, a lo largo de la corriente de aire extraído y
con ello se calienta. La corriente de aire de mezcla así tratada se
alimenta como corriente de aire fresco a una cámara de mezclado (no
representada), en la que se mezcla la corriente de aire de mezcla
con aire de cabina recirculado.
El circuito de aire ambiente está
estructurado de la forma siguiente. Una corriente de aire ambiente
o corriente de aire de contención A se aspira a través de un
compresor C, se comprime a una presión de mezcla en un margen de
entre 1,5 bares en servicio de vuelo y 4 bares en servicio de
tierra, con preferencia aproximadamente a 3,4 bares en servicio de
tierra, y se conduce para su enfriamiento a través de un
intercambiador de calor de aire de contención MHX que actúa como
condensador, antes de que se reunifique en el punto de mezcla
"X" con la corriente de aire extraído tratada y deshumedecida.
Asimismo se ha previsto poco antes del punto de mezcla "X" una
válvula de retención CV, para impedir una corriente inversa cuando
la presión del aire extraído, en especial en servicio de vuelo, al
abrirse la válvula de derivación BPV1 sea superior a la presión del
aire ambiente comprimido. El separador de agua WE3 representado en
la figura 1 en la corriente de aire ambiente comprimida se ha
previsto, al igual que el separador de agua WE1 previsto en la
corriente de aire extraído, sólo opcionalmente como complemento al
separador de agua WE2. Los dos separadores de agua WE1 y WE3, sin
embargo, también pueden sustituir por completo en su combinación el
separador de agua WE2.
El agua separada en los separadores de agua (WE1,
WE2, WE3) se alimenta al intercambiador de calor de aire de
contención MHX para la vaporización y refrigeración que allí se
produce, en especial de la corriente de aire ambiente comprimida,
con lo que aumenta más el grado de eficacia del sistema
conjunto.
En el punto de mezcla "X" tienen la
corriente de aire extraído y la corriente de aire ambiente
comprimida tienen la misma presión que en servicio de tierra, con
preferencia 3,4 bares, y aproximadamente la misma temperatura.
Normalmente la temperatura de la corriente de aire extraído está
situada muy poco por debajo de la temperatura de la corriente de
aire ambiente comprimida. La relación de caudal másico entre la
corriente de aire extraído y la corriente de aire ambiente puede
estar dentro de un margen de entre 100:0 (por ejemplo en servicio
de vuelo) y 50:50 y es aproximadamente de 65:35 en servicio de
tierra.
La rueda de compresor C y la turbina T están
dispuestas junto con el ventilador F sobre un árbol común. Se trata
por lo tanto también aquí de un sistema de tres ruedas, similar a la
Air Cycle Machine ACM, como se ha descrito en la figura 4 con
relación al estado de la técnica. Esto quiere decir que la energía,
que se ha obtenido al depresionar la corriente de aire de mezcla en
la turbina T, se utiliza para accionar el compresor C y el
ventilador F. Esta energía partía originalmente de la corriente de
aire extraído, es decir, que el elevado nivel energético de la
corriente de aire extraído (m, p, T) se aprovecha fundamentalmente
para comprimir la corriente de aire ambiente o la corriente de aire
de contención.
El sistema de climatización antes descrito se
utiliza de este modo en especial en servicio de tierra y a
altitudes de vuelo bajas, en donde la separación de la humedad
contenida en el aire es importante. En servicio de vuelo a grandes
altitudes, por el contrario, la presión del aire ambiente o del aire
de contención A es demasiado baja para materializar en el punto de
mezcla "X" una presión de punto de mezcla que sea técnicamente
lógico. Por ello se ha previsto en el circuito de aire ambiente un
conducto de derivación con una válvula de derivación BPV1, a través
de la cual el aire ambiente, comprimido en el compresor C y enfriado
en el intercambiador de calor de aire de contención MHX, se guía a
lo largo de la turbina T y no se mezcla con la corriente de aire
extraído enfriado, depresionado, hasta antes de la cámara de
mezclado no representada.
Asimismo se ha previsto una válvula de deshielo
AIV, con la que el aire ambiente comprimido procedente del circuito
de aire ambiente se mezcla sin refrigerar a la corriente de aire de
mezcla detrás de la turbina, para actuar en contra de una formación
de hielo en la corriente de aire de mezcla muy enfriada mediante el
depresionado. La válvula de deshielo tiene al mismo tiempo la
función de una válvula de regulación de temperatura y de una
válvula de purgado para descargar el compresor C, en caso de
necesidad. Para regular la temperatura, sin embargo, también o dado
el caso adicionalmente puede derivarse aire de la corriente de aire
extraído y mezclarse con la corriente de aire de mezcla
depresionada detrás de la turbina T. Para esto se utiliza la
válvula de regulación de temperatura TCV.
En el circuito de aire extraído se ha previsto
una segunda válvula de derivación BPV 2, para rodear el circuito de
separación de agua de alta presión en servicio de vuelo. Debido a
que en servicio de vuelo a grandes altitudes de todas formas sólo
se extrae aire seco del grupo motopropulsor, el circuito de
separación de agua de alta presión conduciría a una reducción
innecesaria del grado de eficacia total del sistema de
climatización. La válvula de derivación BPV2 se materializa con
preferencia en unión a una turbina dual-nozzle,
para minimizar el tamaño constructivo del intercambiador de calor de
aire de contención PHX.
En el sistema de climatización antes descrito es
posible diseñar los intercambiadores de calor de aire de contención
MHX y PHX con un elevado grado de eficacia, eligiéndose una densidad
de aleta adecuada para los intercambiadores de calor. Por el
intercambiador de calor PHX en el circuito de aire extraído circula
una gran caudal másico de aire con una presión relativamente
elevada. Para generar un elevado grado de eficacia el
intercambiador de calor PHX puede diseñarse por tanto con una caída
de presión relativamente elevada para el aire extraído que circula,
estando equipado el intercambiador de calor con una densidad de
aleta relativamente elevada. Por el intercambiador de calor MHX en
el circuito de aire ambiente circula, por el contrario, un caudal
másico relativamente reducido en el caso de una presión algo
inferior. La pérdida de presión a través del intercambiador de
calor MHX debe limitarse a una medida mínima. La pérdida de presión
\Deltap a través del intercambiador de calor PHX es de entre 0,05
bares y 0,3 bares, mientras que la pérdida de presión a través del
intercambiador de calor MHX es solamente de entre 0,01 bares y 0,05
bares.
Como puede verse en la figura 1, los
intercambiadores de calor MHX y PHX están conectados en serie en un
canal de corriente de aire de refrigeración, de tal modo que por
ambos intercambiadores de calor circula toda la corriente de aire
de refrigeración. Esto ofrece las ventajas citadas al comienzo y
permite en especial una forma constructiva compacta y ligera del
sistema conjunto.
En la figura 1 se ha representado asimismo con
línea de trazos, junto con la turbina T, el compresor C y la rueda
de ventilador F, un motor M sobre un árbol común, que puede estar
previsto opcionalmente en el sistema de climatización para poder
alimentar al sistema de climatización, en el caso de cargas máximas,
una energía adicional (aumento de la cantidad de aire fresco y/o de
la potencia de refrigeración).
En la figura 2 se ha representado una
configuración adicional de la invención. Para una mejora ulterior
del grado de eficacia del sistema conjunto se depresiona la
corriente de aire de mezcla en dos turbinas T1 y T2. El condensador
del circuito de separación de agua de alta presión está dispuesto en
este caso entre las dos turbinas T1 y T2, para garantizar un
intercambio de calor entre la corriente de aire de mezcla,
depresionada y muy fría, y la corriente de aire extraído
parcialmente enfriada. Un separador de agua WE4 detrás de la primera
turbina T1 y delante del condensador CON, que funciona aquí como
reheater, conduce a un aumento ulterior del grado de deshumectación
del aire de mezcla, pero no es imprescindible.
En la figura 3 se ha representado un sistema de
climatización que, con relación al sistema representado en la
figura 2, puede diseñarse de forma más flexible, de tal modo que
puede obtenerse un grado de eficacia todavía mayor del sistema
conjunto. Para esto se ha previsto que la compresión del aire
ambiente A se realice en dos etapas en dos compresores C1 y C2. Por
medio de que está dispuesta una rueda de compresor con una rueda de
turbina sobre un árbol común, es decir que en total están previstos
dos árboles independientes entre sí, se crean dos máquinas
separadas entre sí que pueden diseñarse en cada caso por sí mismas
óptimamente. En el caso representado la energía necesaria para la
primera etapa de compresor es aportada por la segunda etapa de
turbina, y la energía necesaria para la segunda etapa de compresor
es entregada por la primera etapa de turbina.
La máquina con la turbina T1 y el compresor C2
pueden desconectarse en servicio de vuelo, además de que el
ventilador F en servicio de vuelo no es necesario a causa de la
elevada presión de remanso que de todas formas está a disposición.
La desconexión de la máquina de tres ruedas (T1, C2, F) se
materializa por medio de que se abren las válvulas de derivación
BPV1 del circuito de aire ambiente y BPV 2 del circuito de aire
extraído.
La configuración del sistema de climatización con
dos máquinas separadas entre sí, que comprende en cada caso
compresor y rueda de turbina sobre un árbol común, de las que una
puede desconectarse en servicio de vuelo, ofrece otras ventajas que
emanan de que, obligado por el sistema, en servicio de tierra se
dispone de una mayor relación de presión que en servicio de vuelo.
Por medio de esto es energéticamente favorable prever en servicio
de tierra una tobera de turbina relativamente pequeña (sección
transversal de rejilla de conducción). Esta pequeña tobera se
materializa mediante la conexión consecutiva de las dos etapas de
turbina, obteniéndose una "tobera conjunta" que es menor que
cada tobera aislada. En servicio de vuelo, sin embargo, a pesar de
una relación de presión disponible menor se necesita el mismo caudal
másico para climatizar la cabina de avión, de tal modo que en
servicio de vuelo se necesitaría una gran tobera para
aproximadamente el mismo caudal de aire. Por medio de que en
servicio de vuelo se desconectan la máquina de tres ruedas y de
este modo la etapa de turbina T1 para el sistema conjunto, se
obtiene una gran tobera a causa de la única turbina T2 remanente de
la segunda etapa de turbina para el sistema conjunto. Por medio de
esto puede aumentarse por tanto el grado de eficacia en servicio de
vuelo. Esta ganancia de grado de eficacia se utiliza con preferencia
para configurar los intercambiadores de calor primario y principal
con un tamaño constructivo y un peso lo más reducidos posible, con
la condición marginal de que se cumpla precisamente el caudal
volumétrico necesario. Como efecto final puede conseguirse
entonces, mediante la medida de prever en lugar de sólo una máquina
dos máquinas, un menor tamaño constructivo de los intercambiadores
de calor y de este modo un menor peso total del sistema de
climatización.
En el caso de la forma de ejecución de la
invención representada en la figura 3, el motor M dispuesto con el
compresor C1 y la turbina T2 sobre un árbol común puede funcionar
también como generador G, en especial en servicio de vuelo, si por
ejemplo no es necesario poner a disposición toda la cantidad de aire
fresco, a causa de una cabina ocupada sólo con pocos pasajeros. En
este caso se abre la válvula de purgado CSV ("Surge Valve") y
se cierra la válvula de derivación BPV1, de tal modo que la
corriente de aire ambiente A se purga de nuevo sin comprimir a
través de la válvula de purgado CSV, es decir, no se alimenta a
través de la válvula de derivación BPV1 de la cámara de mezcla no
representada. El compresor C1 funciona después en vacío con o no
consume ningún tipo de energía, de tal modo que la energía obtenida
en la turbina T2 mediante el depresionado del aire extraído puede
transformarse en potencia de generador, en lugar de usarse para
generar aire ambiente comprimido.
Claims (38)
1. Procedimiento para tratar aire para climatizar
un espacio, que comprende los siguientes pasos:
- -
- extracción de una primera corriente de aire parcial, sometida a sobrepresión, desde un grupo motopropulsor o grupo motopropulsor auxiliar, la llamada corriente de aire extraído,
- -
- extracción y compresión de una segunda corriente de aire parcial desde el entorno,
- -
- reunión de la corriente de aire extraído y de la corriente de aire ambiente comprimida para formar una corriente de aire de mezcla,
- -
- depresionado de la corriente de aire de mezcla y
- -
- reconducción de la corriente de aire de mezcla para climatizar un espacio,
siendo guiada la corriente de aire
extraído a lo largo de la corriente de aire de mezcla en un
intercambiador de calor (REH) diseñado como reheater, de forma que
intercambia calor, para refrigerar la corriente de aire extraído
antes de su reunión con la corriente de aire
ambiente.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la corriente de aire extraído se guía a
lo largo de la corriente de aire de mezcla, después de que se haya
depresionado la corriente de aire de mezcla.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque la corriente de aire extraído se guía a
lo largo de la corriente de aire de mezcla, entes de que se
depresione la corriente de aire de mezcla.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la energía
necesaria para comprimir el aire ambiente se obtiene durante el
paso del depresionado de la corriente de aire de mezcla y se
aprovecha regenerativamente.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque para comprimir
el aire ambiente se alimenta energía exterior al sistema.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la relación
entre el caudal másico del aire extraído y el caudal másico del
aire ambiente es de entre 100/0 y 50/50.
7. Procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque la relación entre el caudal másico del
aire extraído y el caudal másico del aire ambiente es de
aproximadamente de 65/35.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque antes del paso
del depresionado de la corriente de aire de mezcla se separa agua de
la corriente de aire de mezcla.
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque de la corriente
de aire extraído y/o de la corriente de aire ambiente comprimida,
antes del paso de su reunión, se separa agua.
10. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la corriente de
aire ambiente, en el paso de la compresión, se comprime a una
presión en un margen de entre 0,8 bares y 4 bares.
11. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque la corriente
de aire extraído se pone a disposición con una presión de entrada en
un margen de entre 1,5 bares en servicio de vuelo y 4 bares en
servicio de tierra.
12. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque las relaciones
de presión entre la corriente de aire extraído y la corriente de
aire ambiental se eligen de tal modo, que se ajusta una presión de
la corriente de aire de mezcla, al reunir corriente de aire extraído
y corriente de aire ambiente comprimido, de aproximadamente 3,4
bares en servicio de tierra.
13. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque la corriente
de aire extraído se guía a lo largo de una corriente de aire de
refrigeración separada, de forma que intercambia calor, y con ello
sufre una pérdida de presión relativamente elevada de
aproximadamente entre \Deltap = 0,01 bares y \Deltap =
0,05
bares.
bares.
14. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque la corriente de
aire ambiental comprimida se guía, de forma que intercambia calor, a
lo largo de una corriente de aire de refrigración separada, y con
ello sufre una pérdida de presión relativamente reducida de
aproximadamente entre \Deltap = 0,01 bares y \Deltap = 0,05
bares.
\newpage
15. Procedimiento según las reivindicaciones 13 y
14, caracterizado porque primero la corriente de aire
ambiente comprimida y a continuación la corriente de aire extraído
se guían, de forma que intercambia calor, a lo largo de la
corriente de aire de refrigeración separada.
16. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 13 a 15, caracterizado porque el agua
separada de la corriente de aire extraído y/o la corriente de aire
de mezcla y/o la corriente de aire ambiente comprimida se alimenta,
para su compresión, a la corriente de aire refrigeración
separada.
17. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque el depresionado
de la corriente de aire de mezcla se realiza en dos etapas y la
corriente de aire de mezcla se guía a lo largo de la corriente de
aire extraído entre las dos etapas de depresionado, de forma que
intercambia calor, para refrigerar la corriente de aire
extraído.
18. Procedimiento según la reivindicación 17,
caracterizado porque después del depresionado de la
corriente de aire de mezcla se evacúa agua de la corriente de aire
de mezcla.
19. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 18, caracterizado porque el paso de la
compresión de la corriente de aire ambiente y el paso del
depresionado de la corriente de aire de mezcla se realizan en cada
caso en dos etapas, aprovechándose regenerativamente en cada caso
para una etapa de compresión energía de en cada caso sólo una de
las dos etapas de depresionado.
20. Sistema de climatización para tratar aire
sometido a sobrepresión para climatizar un espacio, que
comprende:
- -
- al menos un dispositivo de compresión (C; C1, C2), que está conectado al aire ambiente y comprime una corriente de aire parcial que parte del aire ambiente,
- -
- al menos un dispositivo de depresionado (T; T1, T2) y
- -
- al menos un intercambiador de calor,
- -
- caracterizado por
- -
- un elemento de mezcla ("X") en el que la corriente de aire ambiente comprimida se reúne con una corriente de aire parcial, extraída de un grupo motopropulsor y sometida a sobrepresión, la llamada corriente de aire extraído, para formar una corriente de aire mezcla, depresionándose la corriente de aire de mezcla en al menos un dispositivo de depresionado a una presión menor y con ello refrigerándose, y estando configurado al menos un intercambiador de calor como reheater (REH), por el que circula por una parte la corriente de aire extraído y por otro lado la corriente de aire de mezcla.
21. Sistema de climatización según la
reivindicación 20, caracterizado porque de entre al menos un
intercambiador de calor (REH, CON) un intercambiador de calor (CON)
está dispuesto de tal modo, que por él circula la corriente de aire
de mezcla después de que la corriente de aire de mezcla se haya
depresionado en el dispositivo de depresionado.
22. Sistema de climatización según la
reivindicación 20 ó 21, caracterizado porque de entre al
menos un intercambiador de calor (REH, CON) un intercambiador de
calor está dispuesto de tal modo, que por él circula la corriente
de aire de mezcla antes de que la corriente de aire de mezcla se
depresione en el dispositivo de depresionado.
23. Sistema de climatización según una de las
reivindicaciones 20 a 22, caracterizado porque el
dispositivo de depresionado (T; T1, T2) presenta una rueda de
turbina y el dispositivo de compresión (C; C1, C2) al menos una
rueda de compresor sobre un árbol común.
24. Sistema de climatización según una de las
reivindicaciones 20 a 23, caracterizado porque se ha
previsto un motor para alimentar energía externa al sistema para el
dispositivo de compresión.
25. Sistema de climatización según una de las
reivindicaciones 20 a 24, caracterizado porque el
dispositivo de compresión (C; C1, C2) y el dispositivo de
depresionado (T; T1, T2) están diseñados de tal modo, que la
relación entre el caudal másico del aire extraído alimentado y el
caudal másico del aire ambiente alimentado está dentro de un margen
de entre 100/0 y 50/50.
26. Sistema de climatización según la
reivindicación 25, caracterizado porque la relación entre el
caudal másico del aire extraído y el caudal másico del aire ambiente
es de aproximadamente de 65/35.
27. Sistema de climatización según una de las
reivindicaciones 20 a 26, caracterizado porque entre el
elemento de mezcla ("X") y el dispositivo de depresionado (T;
T1) está dispuesto un separador de agua (WE2).
28. Sistema de climatización según una de las
reivindicaciones 20 a 27, caracterizado porque en la
dirección de circulación se ha previsto, antes del elemento de
mezcla ("X"), un separador de agua (WE1; WE3) para separar
agua desde la corriente de aire ambiente comprimida y/o la corriente
de aire extraído.
29. Sistema de climatización según una de las
reivindicaciones 20 a 28, caracterizado porque el sistema
está diseñado de tal modo, que se ajusta una presión de la corriente
de aire de mezcla en el elemento de mezcla ("X") de
aproximadamente 3,4 bares.
30. Sistema de climatización según una de las
reivindicaciones 20 a 29, caracterizado porque la corriente
de aire extraído y la corriente de aire ambiente se guían a lo largo
de una corriente de aire, mediante un intercambiador de calor
adicional (PHX o MHX) previsto para ello, sirviendo uno de los
intercambiadores de calor adicionales (MHX) sirve para refrigerar
la corriente de aire ambiente comprimida y está dispuesto en la
dirección de circulación de la corriente de aire de refrigeración
delante del intercambiador de calor adicional (PHX), que sirve para
refrigerar la corriente de aire extraído.
31. Sistema de climatización según la
reivindicación 30, caracterizado porque se ha previsto un
dispositivo de inyección de agua, con la que el agua separada de la
corriente de aire extraído y/o de la corriente de aire de mezcla
y/o de la corriente de aire ambiente comprimida se alimenta, antes
del intercambiador de calor (MHX) que sirve para refrigerar la
corriente de aire ambiente comprimida, a la corriente de aire de
refrigeración para su compresión en dicho lugar.
32. Sistema de climatización según una de las
reivindicaciones 21 a 31, caracterizado porque el
dispositivo de depresionado comprende dos etapas de turbina (T1, T2)
y el intercambiador de calor (CON) está dispuesto entre las dos
etapas de turbina.
33. Sistema de climatización según la
reivindicación 32, caracterizado porque entre las dos etapas
de turbina (T1, T2) está dispuesto un separador de agua (WE4).
34. Sistema de climatización según una de las
reivindicaciones 20 a 33, caracterizado porque el compresor
comprende dos ruedas de compresor (C1, C2) sobre árboles separados y
cada rueda de compresor (C1, C2) está dispuesta, solamente con una
rueda de turbina (T2 o t1), sobre un árbol común.
35. Sistema de climatización según la
reivindicación 34, caracterizado porque uno de los árboles
está equipado adicionalmente con un motor (M), que también puede
actuar como generador (G).
36. Sistema de climatización según la
reivindicación 35, caracterizado porque en la dirección de
circulación de la corriente de aire ambiente se ha previsto una
válvula de purgado (CSV), detrás del dispositivo de compresión (C1,
C2), para purgar el aire ambiente aspirado en gran medida sin
comprimir.
37. Sistema de climatización según una de las
reivindicaciones 20 a 35, caracterizado porque se ha
previsto una válvula de derivación (BPV1) para, en servicio de
vuelo, no mezclar la corriente de aire ambiente comprimida a la
corriente de aire extraído hasta después de su depresionado.
38. Sistema de climatización según una de las
reivindicaciones 20 a 37, caracterizado porque se ha
previsto una válvula de derivación (BPV2) para, en servicio de
vuelo, conducir la corriente de aire extraído a lo largo del
elemento de mezcla ("X"), directamente hasta el dispositivo de
depresionado (T; T1, T2).
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