DE1037273B - Wasserabscheider fuer eine Vorrichtung zur Versorgung der Kabinen von Hoehenfahrzeugen mit Atemluft - Google Patents

Description

• Wasserabscheider für eine Vorrichtung zur Versorgung der Kabinen von Höhenfahrzeugen mit Atemluft Die Erfindung betrifft einen Wasserabscheider für eine Vorrichtung zur Versorgung der Kabinen von Höhenfahrzeugen mit Atemluft.
• Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, daß zum Erhöhen der Temperatur und zum Verhindern der Eisbildung Mittel angeordnet sind, durch die der Druck am Eingang des Wasserabscheiders vergrößert wird, und daß zur Betätigung einer mit einem Ventil versehenen, den Abscheider umgehenden Leitung druckempfindliche Mittel vorgesehen sind, die vom Druck am Eingang des Wasserabscheiders gesteuert werden.
• In vorteilhafter Weise werden dabei Mittel verwendet, die auf den Außendruck derart ansprechen, daß sie die Umleitungsregelung betätigen und den Abscheider überbrücken, wenn der Außendruck unter einen vorher gewählten Wert sinkt, der geringer als der Druck über dem Meeresspiegel ist.
• Die Konstruktion einer Luftversorgungsanlage für neuzeitliche Flugzeuge verlangt die Berücksichtigung mehrerer Umstände, die von den Änderungen des Flugbetriebes abhängen und welche die Anforderungen bestimmen, die an die Anlage zu stellen sind. Beispielsweise muß die Anlage während des Betriebes am Boden und beim Fliegen in geringer Höhe im allgemeinen gekühlte Luft an die Flugzeugkabine oder -kanzel liefern, um angenehme Aufenthaltsbedingungen für die Passagiere und die Besatzung zu schaffen. Beim Flug in mittleren Höhen kann es erforderlich sein, daß die Anlage warme Luft liefert, während sie beim Schnellflug in großer Höhe kalte Luft erzeugen muß. Bisher sind verschiedene Systeme zum Ausnutzen einer Druckluftquelle und zur Versorgung von Kabinen mit Luft, deren Temperaturen den obenerwähnten Erfordernissen entsprechend verschieden hoch sein müssen, entwickelt worden. Hierzu gehört z. B. das Anzapfen des Kompressors einer Turbine. In solchen Anlagen wird ein Teil der heißen komprimierten Luft durch übliche Mittel gekühlt, um der Kabine Kaltluft zuzuführen, während der andere Teil der heißen komprimierten Luft tatsächlich als Heißluft in die Kabine gelangt. Die heiße und die kalte Luft werden in einem einstellbaren Verhältnis gemischt, um die gewünschte Lufttemperatur in der Kabine zu erzeugen.
• Die Anlagen können bei Anwendung der üblichen Verfahren auch dazu dienen, um einen bestimmten Druck in der Kabine aufrechtzuerhalten.
• Die Erfindung bezweckt Verbesserungen zur Regelung des Wassergehaltes der Luft, die an eine Flugzeugkabine geliefert wird. Es ist gefunden worden, daß unter gewissen Bedingungen die der Flugzeugkabine zugeführte Luft sc# viel Feuchtigkeit enthält, daß Regen oder Schneefall in der Kabine eintreten. Um diese Erscheinung zu beseitigen, wird ein Wasserabscheider in den Kaltluftauslaß der Kühlturbine eingefügt, der den Feuchtigkeitsgehalt des an die Kabine abgegebenen Luftgemisches so weit herabsetzt, daß sein Taupunkt unter der Kabinentemperatur liegt. Da die Fähigkeit der Luft, Feuchtigkeit zu halten, ihrer Temperatur proportional ist, ist die Luft wenigstens bei einigen Betriebszuständen mit Feuchtigkeit übersättigt, wenn sie die Turbinenauslaßtemperatur hat, die beträchtlich geringer als die Außentemperatur ist. Durch Entfernen des freien Wassergehaltes aus der gekühlten Luft, deren relative Luftfeuchtigkeit zwar nicht unter 1000/o vermindert ist, hat das der Kabine zugeführte Gemisch aus kalter und warmer Luft infolge seiner gegenüber der kalten Luft höheren Temperatur doch eine relative Luftfeuchtigkeit, die kleiner als 1000/o ist, so daß Nebelbildung verhindert wird.
• Weitere Merkmale und Aufgaben sowie vorteilhafte Eigenschaften des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung der allgemeinen Anordnung einer Flugzeug-Luftversorgungsanlage, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Wasserabscheiders und eines Umleitungsventils mit seiner Betätigungseinrichtung für die Druckregelung und Fig.3 eine Kurve, welche die Wirkung der spezifischen Luftfeuchtigkeit der gekühlten Luft auf ihre endgültige Temperatur darstellt.
• Die in der Zeichnung dargestellte besondere Ausführungsform umfaßt eine Quelle für komprimierte Luft, als welche der Kompressor 10 eines Düsen- oder Turbinenmotors dienen kann. Die heiße Luft aus dem Kompressor 10 strömt durch die Leitung 12 und von dieser durch zwei parallele Leitungen 14 und 16 zu der Kabineneinlaßleitung 18. Der Teil der Luft, der in die Rohrleitung 16 gedrückt wird, wird gekühlt. Er stellt den vorher erwähnten Kaltluftanteil an dem Luftgemisch dar. Der Teil der Luft dagegen, der in die Leitung 14 gedrückt wird, umgeht die Kühlanlage. Er bildet den Heißluftanteil an dem Luftgemisch für die Kabine 20, das so die gewünschte Temperatur hat.
• Bezüglich der Kaltluft wird bemerkt, daß die Luft in der Rohrleitung 16 durch einen Wärmeaustauscher 22 strömt, um den größeren Teil ihrer Wärme abzugeben, und anschließend in die Rohrleitung 24 gelangt. Sie treibt dann eine Turbine 26 an, die dem Luftstrom Energie entzieht und dabei seine Temperatur weiter herabsetzt. Die gekühlte Luft gelangt von der Turbine 26 durch die Rohrleitung 50 und durch einen Wasserabscheider 52 in die Kabineneinlaßleitung 18. Die Kühlluft für den Wärmeaustauscher 22 wird durch eine Leitung 28 geliefert, die mit Stauluft gespeist werden kann. Nach dem Durchlaufen des Wärmeaustauschers 22 wird die Kühlluft durch die Leitung 30 in ein von der Turbine 26 angetriebenes Gebläse 32 geführt und dann aus einer Leitung 34 über Bord ausgestoßen. Das Gebläse 32 belastet die Turbine 26, wodurch diese der durchströmenden Luft Energie entziehen kann.
• Die durch die Leitung 14 gedrückte Heißluftmenge wird von einem Ventil 34 geregelt. Sie gelangt durch eine Leitung 36 in die Kabineneinlaßleitung 18. Die aus der Leitung 36 kommende Warmluft und die aus dem Wasserabscheider 52 kommende Kaltluft werden in der Kabineneinlaßleitung 18 gemischt. Das Mischungsverhältnis wird durch das Ventil 34 geregelt, das von temperaturempfindlichen Mitteln 40 in der Kabine 20 selbständig gesteuert ist.
• Der in Fig. 2 dargestellte Wasserabscheider besteht aus einem Vereinigungselement 66 und einem Sammelelement 70, die in einem Luftkanal 50 hintereinander angeordnet sind, und einem Ventil 76, das sich in einer den Wasserabscheider 52 umgehenden Leitung 74 befindet.
• Die Temperatur der Luft, die von der Turbine 26 unter gewissen Betriebsbedingungen ausgestoßen wird, liegt unter der Gefriertemperatur. Bei diesen Temperaturen frieren Wasser, Schnee oder Eis, die auf das Vereinigungselement 66 auftreffen, an und beginnen, dieses zu blockieren und den Durchgang der Luft zu behindern.
• Der in seiner Wirkung behinderte oder gar blockierte Wasserabscheider 52 veranlaßt ein Ansteigen des Turbinenauslaßdruckes, wodurch sich die Lufttemperatur erhöht. Infolge der erhöhten Temperatur beginnt das Eis an dem Vereinigungselement 66 zu schmelzen. Dadurch wird der Weg durch den Wasserabscheider wieder geöffnet. Ist dies erfolgt, so wird der Turbinenauslaßdruck kleiner. Dadurch fallen die Temperatur und der Druck wieder, so daß das Vereinigungselement 66 also mit ständiger Einfriertendenz arbeitet.
• Es hat sich gezeigt, daß völlig zufriedenstellende Aufenthaltsbedingungen auch dann vorhanden sind, wenn die spezifische Feuchtigkeit der Luft, die von der Turbine ausgestoßen wird, unter einem Wert von etwa 5,559 je m3 Luft liegt und man den Wasserabscheider umgeht, weil in diesem Fall der Wassergehalt der Luft unter dem kritischen Betrag liegt, der unerwünschte Klimaverhältnisse in der Kabine erzeugen würde. Ist also die Feuchtigkeit kleiner als dieser Wert, so kann die Temperatur der von der Turbine ausgestoßenen Luft unter der Gefriertemperatur bleiben, ohne daß der Wasserabscheider einfriert.
• Es ist weiter gefunden worden, daß durch Begrenzen des Druckes an dem Turbinenauslaß die Temperatur der von der Turbine ausgestoßenen Luft für alle spezifischen Feuchtigkeiten, die größer als der kritische Wert sind, über dem Gefrierpunkt gehalten werden kann und daß das Einfrieren bei spezifischen Feuchtigkeiten unter dem kritischen Wert auftreten kann.
• In Fig. 3 gibt die Linie A die Beziehung zwischen der Temperatur und der spezifischen Feuchtigkeit der gekühlten Luft an, wie sie bei verschiedenen Betriebsbedingungen aus der Turbine 26 ausgestoßen wird. Das gesamte Gebiet rechts der Taupunktkurve befindet sich in übersättigtem Zustand. Zum Beispiel ist die Luft bei -12,2° C gesättigt, wenn sie 1,57 g/m3 Luft enthält. Im Überschuß vorhandenes Wasser hat die Form von sehr kleinen Tropfen, die durch Kondensation entstanden sind und dabei Wärme an die Luft abgegeben haben. Dadurch hat Luft bei demselben Druck, aber mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 1,85 g/m3 eine höhere Temperatur als Luft, die nur 1,57 g/m3 enthält. Diesen Zusammenhang zeigt das Ansteigen der Linie A.
• Wenn der Wasserabscheider einfriert und dadurch erfindungsgemäß der Druck am Turbinenausstoß erhöht wird, sind die Kennwerte der Luft maßgebend, die mit gestrichelten Linien parallel zu der Linie A dargestellt sind. Ein Erhöhen des Druckes um eine Einheit erhöht die Lufttemperatur um einen bestimmten Betrag unabhängig von der Menge des in der Luft enthaltenen überschüssigen Wassers. Deshalb ist es nötig, wenn die Lufttemperatur bei 1,85 g Wasser je m3 Luft auf 0° C erhöht werden soll, den Druck um 1,4 kg/cm2 über den normalen Ausstoßdruck der Turbine zu erhöhen, der in der Kurve als 0 kg/cm2 dargestellt ist. Wenn 5,55 g Wasser je m3 Luft vorhanden sind, ist so viel Wärme durch die Kondensation von zusätzlichem Wasser abgegeben worden, daß der Druck nur um 0,7 kg/cm2 vergrößert werden muß, um die Temperatur bis zum Gefrierpunkt zu erhöhen. Es ist gefunden worden, daß im allgemeinen Luft mit einem Gehalt von 5,55 g/m3 oder weniger keine schädlichen Wirkungen hat, wenn sie mit der wärmeren Luft gemischt und in die Kabine geleitet wird, falls die entstehende relative Feuchtigkeit des Gemisches kleiner als 1000/o ist. Unter solchen Bedingungen kann der Wasserabscheider ausgeschaltet und die von der Turbine ausgestoßene Luft um ihn herumgeleitet werden. Dadurch, daß das Umgehungsventil 76 druckbetätigt ausgebildet ist, öffnet es sich immer dann, wenn der Druck auf 0,7 kg/cm2 angestiegen ist. So ist gewährleistet, daß der Wasserabscheider dann auftaut und der Luft die Feuchtigkeit entzieht, die eine schädliche Wirkung haben kann, daß aber bei geringerem Wassergehalt der hohe Druck nicht entwickelt zu werden braucht, der erforderlich ist, um den Wasserabscheider eisfrei zu halten.
• Wie Fig. 2 zeigt, ist ein druckempfindlicher Faltenbalg oder eine Membran 78 vor dem Wasserabscheider mit dem Kanal 50 verbunden, so daß er auf den Druck, der hinter dem Turbinenauslaß und vor dem Wasserabscheidereingang herrscht, anspricht. Beim Erhöhen des Turbinenauslaßdruckes drückt sich die Feder 80 zusammen und öffnet das Entnahmeventil 82. Hierbei wird durch die Rohrleitung 84 aus der Kammer 86 des Hilfsventils 88 Luft entnommen. Dadurch öffnet die Feder 90 das Ventil 76. Der Wasserabscheider wird so überbrückt. Die Kammer 86 wird durch eine feste Öffnung 92 von einer geeigneten regelbaren Druckquelle mit einem Hilfsdruck gespeist, so daß der Druck in der Kammer 86 durch kleine Bewegungen des Ventils 82 geregelt werden kann.
• In Flugzeugen, die zum Betrieb in großen Höhen entwickelt worden sind, kann es in größeren Höhen wegen der niedrig liegenden spezifischen Feuchtigkeit der Luft in diesen Bereichen unmöglich sein, das Wasser in der Luftversorgungsanlage abzuscheiden. Um den Vorteil dieser Erscheinung zu verwerten, ist ein Faltenbalg oder eine andere auf den Außendruck ansprechende Vorrichtung 94 so angeordnet, daß ein Ventil 96 geschlossen wird, wenn der Außendruck auf einen vorher gewählten Wert fällt, beispielsweise auf den bei 7620 m Höhe. An Stelle der gezeichneten Einrichtung, die unmittelbar auf das Ventil 96 wirkt, kann auch eine Hilfsvorrichtung einer beliebigen geeigneten Bauart, z. B. der oben beschriebenen, verwendet werden. Das Schließen des Ventils 96 setzt die Wirkung des druckempfindlichen Faltenbalges 78 außer Betrieb und ermöglicht es, daß die Feder 90 den Kolben 89 bewegt und das Ventil 76 öffnet, um den Wasserabscheider zu umgehen, sobald der Außendruck auf einen vorher gewählten Betrag gefallen ist.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Wasserabscheider für eine Vorrichtung zur Versorgung der Kabinen von Höhenfahrzeugen mit Atemluft, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erhöhen der Temperatur und zum Verhindern der Eisbildung Mittel angeordnet sind, durch die der Druck am Eingang des Wasserabscheiders (52) vergrößert wird, und daß zur Betätigung einer mit einem Ventil (76) versehenen, den Wasserabscheider umgehenden Leitung (74) druckempfindliche Mittel vorgesehen sind, die vom Druck am Eingang des Wasserabscheiders gesteuert werden.
2. 2. Wasserabscheider nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel, die auf den Außendruck derart ansprechen, daß sie die den Wasserabscheider (52) umgehende Leitung (74) betätigen und den Wasserabscheider überbrücken, wenn der Außendruck unter einen vorher gewählten Wert sinkt, der geringer als der Druck über dem Meeresspiegel ist.