ES2279045T3 - Sistema de climatizacion. - Google Patents
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Abstract
Un sistema de climatización (10) para un avión, en el cual el aire de la cabina se hace que recircule y se mezcle con el aire frío procedente de un acondicionador de aire que incluye una primera y segunda turbinas de expansión (34, 41), sobre cada de las cuales se expande aire presurizado y siendo enfriado, incluyendo además el sistema un intercambiador de calor (38) de la carga, en el cual el aire de la cabina de recirculación se enfría por el intercambio de calor con el aire presurizado procedente de la primera turbina de expansión (34) con antelación a que el aire presurizado se expanda por la segunda turbina de expansión (41); y en el que existe un intercambiador de calor del condensador (130), en el cual se calienta el aire de la cabina de recirculación mencionado por el intercambio de calor con el aire presurizado para enfriar y ayudar a la eliminación de agua del mismo, con antelación a que sea expandido por la primera turbina de expansión (41).
Description
Sistema de climatización.
Esta invención está relacionada con un sistema
de climatización, y más en particular con el mencionado sistema
para un avión.
Es una necesidad en el avión el suministro de
aire frío a una cabina presurizada del mismo. Usualmente, el aire
de la cabina se hace recircular con una parte del aire que está
siendo refrescado por el aire obtenido desde el exterior del
avión.
Típicamente, dicho aire externo es extraído
desde un motor del avión, y por tanto está presurizado. Dicho aire
requiere un filtrado y un enfriamiento antes de ser mezclado con el
aire de recirculación para su introducción a la cabina del avión
para ser respirado y para el mantenimiento de unas condiciones de
confort.
Es conocido el enfriamiento del aire por el
intercambio de calor en el aire caliente presurizado con el aire
ambiental más frío. Esto puede conseguirse en forma eficiente
mediante una primera compresión del aire extraído para incrementar
su temperatura y presión, antes de enfriar el aire. Así mismo, es
conocido el enfriamiento del aire adicional mediante la expansión
del aire a través de una turbina de expansión, lo cual da lugar
también a cierta pérdida de la presión en el aire comprimido.
Con los sistemas convencionales, el aire
caliente de la cabina es expulsado desde el sistema de
climatización, obteniéndose una perdida de volumen por al aire de
extracción enfriado de ventilación. Así pues, se expulsa la energía
calorífica del aire caliente de la cabina.
Especialmente cuando un avión se encuentra
aparcado en el suelo en condiciones climáticas calientes, el aire
de la cabina puede llegar a ser muy caliente con la utilización de
un sistema de climatización convencional, lo cual puede llevar
cierto tiempo después de que se arranque el sistema de
climatización, por ejemplo, cuando se arranque el motor o motores
del avión, o bien cuando se utilice una unidad de soporte basada en
tierra, para proporcionar aire al sistema de climatización, para
que se enfríe el aire de la cabina hasta una temperatura deseada.
Por tanto, puede desperdiciarse una considerable cantidad de energía
calorífica.
El documento
US-A-5461882 expone un sistema de
control ambiental del ciclo de aire, en el cual el aire de la
cabina se utiliza para alimentar una turbina antes de ser mezclado
con el aire ambiente, y siendo utilizado para enfriar el aire
presurizado caliente.
La presente invención está relacionada con un
sistema de climatización para un avión en el cual el aire de la
cabina se hace recircular y mezclándose con el aire frío de una
maquina de acondicionamiento de aire, que incluye al menos una
turbina de expansión sobre la cual se expande y se enfría el aire
presurizado caliente, y en la que el sistema incluye un
intercambiador de calor de la carga, en donde la carga de calor del
aire caliente de la cabina se intercambia con el aire presurizado
caliente antes de que el aire presurizado sea expandido por la
turbina de expansión. En dicho sistema, el calor desperdiciado en al
aire de la cabina se utiliza en forma útil para proporcionar
energía para mejorar el rendimiento del enfriamiento de la turbina
de expansión.
De acuerdo con un aspecto de la presente
invención, se proporciona un sistema de climatización para un avión
de acuerdo con la reivindicación 1.
Por tanto, en un sistema de acuerdo con la
invención, se mejora la recuperación del calor, y se recupera el
agua contenida en el aire presurizado caliente. Una ventaja de
eliminación de agua del aire presurizado caliente antes de la
expansión y siendo enfriado en la turbina de expansión, es que la
formación de cualesquiera gotas de agua en el aire presurizado como
resultado de su compresión puede provocar daños en la corona de
alabes de la turbina de expansión, los cuales giran típicamente con
una velocidad de algunas decenas de miles de revoluciones por
minuto.
El aire de recirculación de la cabina puede
pasar a través del intercambiador de calor del condensador, para
enfriar y eliminar el agua del aire presurizado caliente, después de
haber pasado a través del intercambiador de calor de la carga, para
ceder calor al aire presurizado.
Alternativamente, el aire caliente de
recirculación de la cabina puede pasar a través del intercambiador
de calor del condensador, para enfriar el aire presurizado y
eliminar el agua del mismo, antes de que pueda pasar a través del
intercambiador de calor de la carga, para ceder la energía
calorífica al aire presurizado.
El sistema puede ser selectivamente operable en
cualquiera de los anteriores modos.
El aire presurizado puede derivarse de un motor
del avión ("aire de extracción de ventilación"), en cuyo caso
será aire caliente y presurizado, requiriendo por tanto el
enfriamiento antes de ser mezclado con el aire de recirculación
para su introducción en la cabina del avión. Puede ser primeramente
enfriado por el intercambio de calor con el aire ambiente que se
hace que circule a través al menos de un intercambiador de calor a
través del cual se hace pasar el aire de extracción de ventilación,
como consecuencia del movimiento del avión ("aire dinámico
forzado"), o por el uso de un ventilador o ventiladores (que
pueden estar accionados por la turbina de expansión).
El agua eliminada del aire presurizado caliente
puede ser suministrada, por ejemplo, en la forma de pulverización,
al aire ambiente con antelación a los intercambiadores de calor que
puedan enfriar primeramente el aire extraído, para ayudar al
enfriamiento de este último.
De acuerdo con un segundo aspecto de la
invención, se proporciona un método de operación de un sistema de
climatización según la reivindicación 6.
Se describirán a continuación las realizaciones
de la invención, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos
adjuntos, en los que:
la figura 1 es un diagrama ilustrativo de un
sistema de aire acondicionado de acuerdo con la invención;
la figura 2 es un diagrama ilustrativo de una
versión modificada del sistema de aire acondicionado;
la figura 2a muestra una modificación del
sistema de la figura 2.
Con referencia a la figura 1 de los dibujos, se
muestra un sistema de climatización 10 para un avión, que incluye
una entrada 11 de aire dinámico forzado a través de la cual se
introduce aire ambiente al sistema 10, cuando el avión se encuentra
en vuelo, siendo introducido en general aire dinámico forzado en el
sistema 10, debido al movimiento del avión a través del aire.
El sistema 10 incluye además otra entrada de
aire 12 para el aire extraído del motor. Dicho aire de extracción de
ventilación está más caliente que el aire dinámico forzado, y siendo
presurizado.
El aire de extracción de ventilación más
caliente de la entrada 12 es suministrado a un intercambiador de
calor primario 16, en donde el calor se intercambia con el aire
dinámico de ventilación más frío procedente de la entrada 11 de
aire dinámico de ventilación. El aire dinámico forzado más frío de
la entrada 12 del aire dinámico de ventilación se utiliza también
para enfriar el aire caliente en un intercambiador de calor
secundario 18, tal como se describirá más adelante. El aire dinámico
forzado más caliente retorna entonces al ambiente, si se desea, con
la ayuda de los ventiladores 19, 20 tal como se describirá más
adelante.
Los ventiladores 19, 20 ayudarán a la absorción
del aire dinámico forzado a través de la entrada de aire dinámico
forzado 11, cuando el avión se encuentre sobre el suelo, por
ejemplo, durante el desplazamiento del avión en tierra.
El sistema de climatización 10 incluye una
configuración de una turbina/compresor de dos etapas. En una
sección del compresor del sistema 10, el aire de extracción de
ventilación enfriado es suministrado primeramente desde el
intercambiador de calor primario 16 a través de un conducto 22 hasta
un compresor de baja presión 23, el cual presuriza el aire y
provoca el calentamiento del aire de extracción de la ventilación. A
partir del compresor de baja presión 23, el aire presurizado y
caliente es suministrado a lo largo de un conducto 24 hasta un
compresor de alta presión 25, en donde el aire es presurizado y
calentado adicionalmente.
El aire resultante a alta presión y caliente se
hace pasar a un intercambiador de calor secundario 18, a lo largo
de un conducto 27, y desde un intercambiador de calor secundario 18
el aire enfriado ahora caliente de alta presión se hace pasar a lo
largo de un conducto 29 hasta una lección de enfriamiento del
sistema 10. El aire presurizado caliente es suministrado desde el
conducto 29 hasta un intercambiador de de calor de un condensador
130, seguido por (opcionalmente) un separador de agua 31. En el
intercambiador de calor 130, el aire presurizado caliente es
enfriado para un fin que se expondrá más adelante, y este
enfriamiento provocará la separación del agua del mismo. Dicha
separación será efectiva a la alta presión del aire presurizado.
El aire presurizado caliente se suministra
después a través de un conducto 32 a una primera turbina 34 de
expansión de alta presión, en donde el aire presurizado caliente se
expande y se enfría. Desde la turbina 34 de alta presión, el aire
a menor presión enfriado pero todavía caliente se hace pasar a lo
largo de un conducto 35 (posiblemente incluyendo un separador de
agua adicional (no mostrado) además para secar el aire), y en
donde el aire secado a media presión se hace pasar entonces a través
de un intercambiador 38 de la carga, en donde se calienta el aire,
por medio de un conducto 140, hasta una segunda turbina 41 de
expansión (baja presión), en donde el aire se enfría adicional y
substancialmente, reduciéndose su presión. El aire frío pasa desde
la segunda turbina 41 de expansión por medio de un conducto 42 hasta
una caja de mezcla, desde donde el aire es suministrado a la cabina
del avión 44, 45. Se muestran dos conductos que unen la caja de
mezcla 43 con las partes respectivas de la cabina 44, 45, por
ejemplo, una parte de la cabina principal y la cabina de pilotos
del avión.
Se hace recircular el aire desde la cabina del
avión 44, 45, a través de un bucle de recirculación que incluye un
conducto 62, con un ventilador 60, y un conducto 66 que conduce a la
caja de mezcla 43, en donde el aire de la cabina de recirculación
se mezcla con el aire frío del conducto 42. Con el numero 47 se
indica una salida para una parte del aire de la cabina 44, 45 hacia
la atmósfera ambiente, incluyendo una válvula para controlar dicha
salida.
En este ejemplo, el compresor de baja presión 23
y la segunda turbina 41 de baja presión están soportados sobre un
eje común 51, de forma tal que el aire comprimido se expanda a
través de la turbina 41 accionando el compresor de baja presión 23.
Además de ello, uno de los ventiladores 20 que se encarga de
expulsar el aire dinámico forzado del sistema 10, se encuentra
también provisto sobre el eje 51 y siendo accionado por tanto por
el aire comprimido en expansión.
La primera turbina 34 de expansión de alta
presión está soportada sobre un eje 50, sobre el cual están
soportados el compresor de alta presión 25 y el otro ventilador 19,
de forma que el compresor 35 de alta presión, y el ventilador 19,
están accionados por el aire presurizado en expansión, a través de
la primera turbina 34.
Puede observarse a partir del dibujo que en la
sección del compresor del sistema 10, se encuentra una derivación
de paso 53 controlada por una válvula desde el conducto 22 pasando
por el primer compresor 23, hasta el conducto 24 entre el
compresor de baja presión 223 y el compresor 25 de alta presión, y
una derivación de paso 54 controlada por una válvula desde el
conducto 24 hasta el conducto 27 pasando por el compresor de alta
presión 25, de forma que el compresor 25 de alta presión pueda ser
puenteado según lo permitido por la válvula. Así mismo, existe una
derivación 55 controlada por una válvula desde el conducto 27 hasta
el conducto 29, pasando por el intercambiador secundario 18 de
calor.
En la sección de enfriamiento del sistema 10
existe una válvula existe una derivación 56 controlada por una
válvula desde el conducto 32 pasando por la primera turbina de alta
presión 34, hasta la salida de la turbina 34, una derivación 57
controlada por una válvula, desde el conducto 29 desde el
intercambiador secundario 18 de calor, hasta el conducto de salida
35 pasando por la primer turbina de alta presión 34, y una
derivación 58 controlada por una válvula desde el conducto 140
pasando por la segunda turbina de expansión 41, hasta el conducto
de aire frío 42 desde la segunda turbina de expansión 41.
Las válvulas de las derivaciones 53, 54, 55, 56,
57, 58 pueden estar operadas por un controlador del sistema (no
mostrado en la figura 1) para equilibrar el sistema 19 en las
distintas condiciones operativas, y para asegurar que el aire frío
entre en la caja de mezcla 43 sea de una temperatura y presión
deseadas. Si se desea, las válvulas en las derivaciones 53, 54
pueden ser sencillamente unas válvulas de control.
Se observará que cuando el avión está en tierra
en particular en climas calientes, la temperatura de la cabina
puede elevarse significativamente, por ejemplo a 55ºC.
Convencionalmente, en la configuración del sistema 10, dicho aire
caliente de la cabina tiene que hacerse que recircule sencillamente
hasta que el aire se enfríe por la mezcla con el aire frío en la
caja de mezcla 43, hasta una temperatura deseada de la cabina 44,
45. Así pues, el calor del aire de la cabina se pierde en el
sistema 10. Puede expulsarse al aire ambiente una proporción del
aire en la cabina 44, 45, según lo indicado a través de la salida
47, de forma que una proporción dada del aire de la cabina sea
refrescado por el aire procedente del sistema de climatización
10.
El sistema 10 proporciona unos medios para la
recuperación de la energía térmica a partir del aire caliente de la
cabina.
El aire de la cabina se hace recircular desde la
cabina 44, 45 con la ayuda del ventilador 60, con la ayuda del
ventilador 60, y el aire caliente de la cabina pasa primeramente a
través del conducto 62 hasta el intercambiador 38 de calor de la
carga, a través del cual pasa el aire a presión media desde la
primera turbina de expansión 34. Así pues, el calor del aire
caliente de recirculación de la cabina se utiliza para calentar el
aire enfriado de presión media con antelación al paso hacia la
segunda turbina de expansión 41.
Después del intercambiador de calor de la carga
38, el aire de recirculación de la cabina pasa a través del
intercambiador de calor del condensador 130, en donde se enfría el
aire presurizado caliente suministrado a lo largo del conducto 29.
Después de haber pasado a través del intercambiador 38 de calor de
la carga, el aire de recirculación de la cabina será
suficientemente frío para intercambiar el calor con efectividad con
el aire caliente presurizado del conducto 29, y provocando la
condensación y la separación de una proporción substancial del
contenido de agua del mismo (proporcionándose además la eliminación
de agua mediante el separador de agua 31 en caso de estar
presente).
El agua separada del aire presurizado caliente
por el intercambiador de calor del condensador 130 (y el separador
31 si está presente) es suministrada por una línea 131 a un
pulverizador 132 en el conducto desde la entrada 11 de aire
dinámico forzado en dirección de aguas arriba de los
intercambiadores de calor 16, 18. Esto tiene el efecto de
incrementar el efecto de enfriamiento de los intercambiadores de
calor 16, 18, en virtud de la evaporación del agua en las
superficies de los mismos.
La figura 2 ilustra una modificación de la
sección de enfriamiento del sistema 10, en donde los componentes
correspondientes a los anteriormente descritos se encuentran
identificados con las mismas referencias. Ciertas partes, es decir
el separador de agua 31 y las derivaciones 56, 57, 58 se han omitido
en la figura 2 en aras de la simplicidad, aunque se observará que
podrían estar presentes.
En la figura 2, los conductos 62, 66, mediante
los cuales el aire de recirculación de la cabina retorna en la caja
de mezcla 43, han sido configurados de forma que el aire de
recirculación pase primeramente a través del intercambiador 130 de
calor del condensador, y después por el intercambiador 38 de calor
de la carga. Aunque el aire de la cabina de recirculación estará
caliente, estará substancialmente más frío que el aire de refresco
que llegue a la sección de enfriamiento del sistema del conducto 29,
y reduciendo por tanto la temperatura del aire presurizado
caliente, para activar la separación del agua del mismo. Al hacerlo
así, el aire de la cabina de recirculación se elevará en su
temperatura, y su contenido de la energía incrementada podrá ser
transferida en el intercambiador de calor de la carga 38 al aire que
pase desde la turbina 34 de alta presión a la turbina de baja
presión 41, de forma que pueda ser recuperada dicha energía en el
último.
La inserción de la figura 2a en la figura 2
muestra una modificación en donde las válvulas 135, 136, 137 pueden
proporcionarse en los conductos 62, 66 conjuntamente con los
conductos de derivación 138, 139 operativos, de forma que el aire
de recirculación de la cabina pueda ser suministrado primeramente al
intercambiador de calor del condensador 130 (seguido por el
intercambiador de calor 38 de la carga), o el intercambiador de
calor 38 de la carga (seguido por el intercambiador de calor 130 de
la carga), según lo que se desee. El controlador para controlar la
operación de las válvulas 135-137 está indicado en
141.
Claims (8)
1. Un sistema de climatización (10) para un
avión, en el cual el aire de la cabina se hace que recircule y se
mezcle con el aire frío procedente de un acondicionador de aire que
incluye una primera y segunda turbinas de expansión (34, 41), sobre
cada de las cuales se expande aire presurizado y siendo enfriado,
incluyendo además el sistema un intercambiador de calor (38) de la
carga, en el cual el aire de la cabina de recirculación se enfría
por el intercambio de calor con el aire presurizado procedente de la
primera turbina de expansión (34) con antelación a que el aire
presurizado se expanda por la segunda turbina de expansión (41); y
en el que existe un intercambiador de calor del condensador (130),
en el cual se calienta el aire de la cabina de recirculación
mencionado por el intercambio de calor con el aire presurizado para
enfriar y ayudar a la eliminación de agua del mismo, con antelación
a que sea expandido por la primera turbina de expansión (41).
2. Un sistema de acuerdo con la reivindicación
1, en el que el aire de recirculación de la cabina se hace pasar a
través del intercambiador de calor del condensador (130) después de
que haya pasado a través del intercambiador de calor de la carga
(38).
3. Un sistema de acuerdo con la reivindicación
1, en el que el aire de recirculación de la cabina se hace pasar a
través del intercambiador de calor (130) del condensador, antes de
que pase a través del intercambiador de calor (38) de la carga.
4. Un sistema de acuerdo con la reivindicación
1, el cual es operable selectivamente de acuerdo con la
reivindicación 2 ó la reivindicación 3.
5. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el agua eliminada del aire
presurizado en el intercambiador de calor (130) del condensador se
utiliza para ayudar al enfriamiento del aire de extracción del
motor suministrado al sistema (10).
6. Un método de operación de un sistema de
climatización (10) en un avión del tipo en donde el aire de la
cabina se hace que recircule y se mezcle con el aire frío de un
acondicionador de aire, que incluye una primera y segunda turbinas
de expansión (34, 41), en las cuales el aire presurizado caliente se
expande y se enfría, en donde el sistema (10) incluye un
intercambiador de calor de la carga (38), en el cual el aire de la
cabina de recirculación se enfría por el intercambio de calor con
el aire presurizado de la primera turbina de expansión, con
antelación a que sea expandido el aire presurizado por la segunda
turbina de expansión (41); incluyendo el método el calentamiento
del mencionado aire de recirculación de la cabina por el intercambio
de calor con el aire presurizado en un intercambiador de calor
(130) del condensador, con antelación que se expanda el aire
presurizado por la primera turbina de expansión (34), para enfriar y
ayudar a eliminar el agua del aire
presurizado.
presurizado.
7. Un método de acuerdo con la reivindicación 6,
en el que el aire de recirculación de la cabina se calienta en el
intercambiador de calor del condensador (130) después de que el
mencionado aire de la cabina haya pasado a través del
intercambiador de calor de la carga (38).
8. Un método de acuerdo con la reivindicación 6,
en el que el aire de recirculación de la cabina se calienta en el
intercambiador de calor del condensador (130) antes de que el
mencionado aire de la cabina se haga pasar a través del
intercambiador de calor de la carga (38).
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