DE2907826A1

DE2907826A1 - Luftumlaufkuehlsystem fuer ein flugzeug und verfahren zum kuehlen einer kabine o.dgl. in einem flugzeug

Info

Publication number: DE2907826A1
Application number: DE19792907826
Authority: DE
Inventors: George Christian Rannenberg
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1978-03-06
Filing date: 1979-02-28
Publication date: 1979-09-13
Also published as: NO790538L; NO147099C; DK154999B; IT1111140B; DK84179A; IL56591A; DE2907826C2; GB2015723B; BR7901139A; SE7901108L; FR2419216B1; US4209993A; FR2419216A1; GB2015723A; SE435042B; CA1093303A; IT7920617A0; NO147099B; DK154999C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf turbinenbetriebene Luftumlaufkühlsysteme (Luftzykluskühlsysteme) zum Versorgen von Flugzeugkabinen oder anderen Belastungen mit Kühlluft und betrifft insbesondere ein System, in welchem ein großes Volumen von im Kreislauf aus der Kabine durch ein Gebläse oder einen Ejektor zurückgeförderter Luft benutzt wird, um das Vereisen des Turbinenauslasses und von stromabwärtigen Kanälen zu verhindern, und welches die Verwendung eines eisfreien Regenerativwärmetauschers zum Niederschlagen von Feuch- » tigkeit aus in die Turbine eintretender Luft gestattet. Ein verbesserter Umlauf- oder Zykluswirkungsgrad wird durch wirksame Ausnutzung der Rückfördereinrichtung erzielt, d.h. durch

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eine Konstruktion, die die maximal mögliche Lüftungsgeschwindigkeit für die Belastung ergibt, und durch die Möglichkeit, hohe Versorgungsluftdrücke wirksam auszunutzen.

Da die Kosten und Verfügbarkeit von Kraftstoff beim Betrieb von Flugzeugen bedeutende Faktoren werden, ist ein besserer Wirkungsgrad des Betriebes von Flugzeugteilen erwünscht, um verfügbare Energie zu sparen. Eines der Systeme in modernen Flugzeugen, welches nennenswerte Leistung verbraucht, ist das Luf tumlaufumgebungs.steuersystem. Ein höherer Wirkungsgrad in diesem System wird zu großen Kraftstoff einsparungen führen. Ein Haupthindernis bei der Verbesserung des LuftumlaufSystemwirkungsgrades ist die Verstopfung, die durch Eis hervorgerufen wird, welches sich in dem Turbinenauslaß und den stromabwärtigen Kanälen des Luftumlaufkühlsystems bildet. Der maximale Versorgungsdruckwert, der benutzt werden könnte, wäre der Druck, der die Vereisung an dem Turbinenauslaß erzeugt hat, und die Kühlung, die durch irgendeinen höheren Druck erzielt wird, wird wegen der Enteisungssteuereinrichtungen, die zum Verhindern der Eisbildung erforderlich sind, notwendigerweise vergeudet. Infolgedessen kann bislang die gesamte Druckenergie, die in der verdichteten Versorgungsluft verfügbar ist, aufgrund der Vereisungsprobleme nicht wirksam ausgenutzt werden.

Bei dem Versuch, die Beschränkungen der Lufttemperatur an dem Turbinenauslaß zu überwinden, um die Bildung von Eis zu verhindern, wird in einigen bekannten Luftumlaufkühlsystemen eine geringe Menge von Luft aus der Belastung zurückgefördert und die zurückgeförderte Luft wird an einer Verbindungsstelle mit der Turbinenauslaßluft vermischt. Ein System dieser Art wird gegenwärtig in dem Hubschrauber "S-76" benutzt, der von der Fa. Sikorsky, einer Tochtergesellschaft der Anmelderin, hergestellt wird. Diese Lösung hat den Vorteil, daß

es mit ihr möglich ist, sehr niedrige Turbinenauslaßtemperatüren zu benutzen, um den erforderlichen Strom von Druckluft zu verringern, und daß sie außerdem für eine maximal mögliche Lüftungsgeschwindigkeit in der Belastung sorgt, da die volle Summe der Rückförderströmung plus der Druckluftversorgungsströmung zur Kabinenlüftung benutzt wird. Ein Nachteil eines Systems dieser Art besteht darin, daß bei ihm mit einfachen überlaufstutzen an dem Turbineneinlaß und in der Belastungsverteilungsleitung gearbeitet wird, um Feuchtigkeit aus der Luftversorgung zu entfernen, wobei es sich um ein Verfahren handelt, das nicht geeignet ist, große Feuchtigkeitsmengen abzuführen.

Andere Luftumlaufkühlsysteme benutzen einen Regenerativwärmetauscher in dem Versorgungsluftweg stromaufwärts des Turbineneinlasses, um Feuchtigkeit an dem Turbineneinlaß niederzuschlagen und dadurch Probleme zu vermeiden, die durch den herkömmlichen Coalescer-Wasserabscheider verursacht werden. Ein Regenerativwärmetauscher dieser Art wird in dem Beil-Hubschrauber "Huey Cobra" benutzt, der ein von der Fa. AiResearch hergestelltes Klimasystem hat. Ein Nachteil dieser Art von System ist darin zu sehen, daß es nicht möglich ist, aufgrund von Vereisungsproblemen in dem Regenerativwärmetauscher sehr kalte Turbinenauslaßtemperaturen zu benutzen.

Andere bekannte Luftumlaufkühlsysteme arbeiten mit der Rückförderung von Luft aus der Belastung, die mit der Luft vermischt wird, welche durch die Druckluftversorgung geliefert wird, bevor die Luft durch die Turbine gekühlt wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß der Belastung ein Lüftungsdurchsatz geliefert wird, der gleich der Summe der Druckluftversorgung und der rückgeförderten Luft ist. Ein System dieser Art wird in dem Flugzeug Boeing 747 verwendet. Ein Vorteil dieses Systems besteht darin, daß eine maximale Kabinenlüftungsleistung für eine feste Rückfördergebläsekapazi-

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tat erzielt wird. Das volle Ausnutzen der Rückfördergebläseströmung verringert die parasitäre Wärmebelastung der Rückfördergebläseeingangsleistung und erzeugt deshalb den für die Rückforderschleife des Zyklus maximal möglichen Wirkungsgrad. Leider kann diese Art von System die gesamte Druckenergie in der unter Druck gesetzten Versorgungsluft wegen der Vereisung, die durch die unter dem Gefrierpunkt liegenden Temperaturen an dem Turbinenauslaß und in stromabwärtigen Kanälen erzeugt werden, nicht vollständig ausnutzen.

Bei vielen bekannten Luftzykluskühlsystemen wird ein Enteisungssteuerventil benutzt, das in der erforderlichen Weise geöffnet wird, um warme Luft von stromaufwärts des Turbineneinlasses dem Turbinenauslaß zuzuführen, damit Eis daran gehindert wird, sich anzusammeln und eine Blockierung stromabwärts des Turbinenauslasses hervorzurufen. Das Flugzeug Boeing 747 benutzt diese Art von System.

Die Erfindung überwindet die Beschränkungen und Nachteile der bekannten Luftumlaufkühlsysteme und schafft ein System, das den höchst möglichen Wirkungsgrad hinsichtlich einer maximalen Kühlung oder einer maximalen Belüftung der Last hat. Das System kann entweder für eine größere Strömung zu der Belastung bei einer gegebenen Eingangsleistung oder für dieselbe Strömung zu der Belastung unter Verwendung einer geringeren Eingangsleistung ausgelegt werden.

Die Erfindung schafft ein Flugzeugumgebungssteuersystem, das äußerst wirksam ist und weit weniger Energie als bekannte Systeme verbraucht.

Weiter schafft die Erfindung ein Luftzyklus- oder Luftumlauf kühlsystern, welches rückgeförderte Luft aus der Belastung vermischt mit der gekühlten Luft aus einer Expansionsturbine benutzt, um gleichzeitig jedwedes Eis zu schmelzen, das

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an dem Auslaß der Turbine vorhanden ist, und um für eine nützliche Kühlung der rückgeförderten Luft zu sorgen.

Weiter schafft die Erfindung ein Luftumlaufkühlsystem, in welchem Feuchtigkeit aus der Versorgungsluft an einer Stelle stromaufwärts der Expansionsturbine und bei einer Temperatur entfernt wird, die ausreichend hoch ist, um Vereisungsprobleme in dem Feuchtigkeitsabführteil zu vermeiden.

Weiter schafft die Erfindung ein Luftumlaufkühlsystem, welches die gesamte Summe der Rückförderluftströmung plus der Druckluftversorgung benutzt, um die maximal mögliche Lüftungsgeschwindigkeit für die Belastung zu schaffen.

Ferner schafft die Erfindung ein Luftumlaufkühlsystem, in welchem Eis am Verstopfen des Feuchtigkeitsabführteils verhindert wird, indem Wärme nach Bedarf aus einer Warmluftquelle stromaufwärts der Turbine der Turbinenauslaßluft vor dem Eintritt der Turbinenauslaßluft in die kalte Seite des Feuchtigkeitsabführteils zugesetzt wird.

Schließlich schafft die Erfindung ein Luftumlaufkühlsystem, in welchem herkömmliche Elemente in neuartiger Weise miteinander kombiniert werden, um die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und gleichzeitig eine beträchtliche Verringerung im Energieverbrauch zu erzielen. Luft wird aus der Belastung durch ein Gebläse oder einen Ejektor zurückgefördert und dem Turbinenauslaß zugeführt, um eine Enteisung bei unter dem Gefrierpunkt liegenden Turbinenauslaßtemperaturen vorzunehmen. Ein Regenerativwärmetauscher wird benutzt, um Feuchtigkeit aus der in die Turbine eintretenden Luft niederzuschlagen. Das Gebläse oder der Ejektor, der in erfindungsgemäßer Weise benutzt wird, liefert die höchstmögliche Kabinenlüftungsleistung bei minimaler Rückförder- * strömung und deshalb bei minimalem Leistungsverbrauch für die Rückforderströmung. Ein Enteisungssteuerventil wird be-

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nutzt, um warme Luft nach Bedarf der Turbinenauslaßluft zuzusetzen, wobei der Eisfühler zum Steuern des Enteisungsventils stromabwärts von dem Rückförderluftanschluß sowie stromabwärts von dem Warmluftanschluß angeordnet ist und wobei die Warmluft zum Schützen des Regenerativwärmetauschers vor Vereisung nur dann zugesetzt wird, wenn die zurückgeförderte Luft einen Wärmeinhalt hat, der nicht ausreicht, um den Turbinenauslaß vollständig zu enteisen.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Gesamtansicht eines

UmgebungsSteuersystems, das Hochdruckversorgungsluft und zurückgeförderte Kabinenluft benutzt, um klimatisierte Luft für eine Flugzeugkabine zu liefern, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weite

ren Ausführungsform des Systems von Fig.

Zu den Teilen, die für die Ausführung der Erfindung wesentlich sind, gehören gemäß den Figuren eine Expansionsturbine zum Kühlen einer Quelle von Hochdruckluft, ein Rückförderkanal, der ein Gebläse oder einen Ejektor zum Zurückfördern von Luft aus der Kabine oder der Belastung und zum Vermischen der rückgeförderten Luft mit der Kühlluft an dem Turbineneinlaß enthält, ein Feuchtigkeitsabführteil zum Abführen von Feuchtigkeit aus der Luft, bevor diese in der Turbine expandiert, und eine Einrichtung zum Zusetzen von zusätzlicher xtfarmer Luft zu der Turbinenauslaßluft, wenn die rückgeförderte Luft nicht ausreicht, um jedwedes Eis, das an dem Turbinenauslaß vorhanden ist, ausreichend zu schmelzen. Zusätzliche periphere Ausrüstung, wie Wärmetauscher, Strömungssteuerventile, Verdichter und Kanäle sind gezeigt, um

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die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung und die besten Arten der Durchführung der Erfindung zu veranschaulichen, obgleich verschiedene Änderungen in dem speziellen Aufbau und in der speziellen Anordnung der Teile, insbesondere der peripheren Ausrüstung, im Rahmen fachmännischen Könnens liegen.

Fig. 1 zeigt eine Turbine 36, in welcher einen hohen Druck und im allgemeinen eine hohe Temperatur aufweisende Versorgungsluft aus einem Einlaßkanal 10 expandiert, um die Versorgungsluft durch die Expansion in der Turbine zu kühlen. Luft wird aus der Belastung, die als eine Kabine 15 dargestellt ist, über eine Leitung 58 zurückgefördert und mit der kühlen Luft an dem Turbinenauslaß in einer Leitung 56 vereinigt, so daß durch das Vermischen der beiden Ströme sowohl in dem Turbinenauslaß vorhandenes Eis geschmolzen als auch gleichzeitig für eine nützliche Kühlung der im Kreislauf zurückgeförderten Luft gesorgt wird. Der vermischte Luftstrom wird über eine Leitung 68 in einen als Kondensator 50 dargestellten Regenerativwärmetauscher geleitet, der über Wärmeübertragungsflächen die Versorgungsluft, die von dem Einlaßkanal 10 über Kanäle 14, 14b, 38, 42, 46, 48 und 52 dem Turbineneinlaß zugeführt wird, mit der kalten Luft des Turbinenauslasses in der Leitung 68 stromabwärts des Rückförderluftanschlusses verbindet, wobei die Versorgungsluft in dem Kondensator unter ihren Taupunkt gekühlt wird, so daß Feuchtigkeit niedergeschlagen wird, um in einem mechanischen Wasserabscheider stromaufwärts des Turbineneinlasses abgeführt zu werden. Die Menge der Luftströmung, die den Kondensator 50 auf der kalten Seite desselben verläßt und anschließend über eine Leitung 76 zu der Kabine 15 geleitet wird, ist gleich der Summe der Luftversorgung plus dem Rückförderluftstrom in der Leitung 58. Der Rückförderluftstrom, der gemäß Fig. 1 durch ein elektrisches Gebläse 64 erzeugt wird, erzeugt in dem maximal möglichen Ausmaß die höchstmögliche Kab-inenlüftungsgeschwindigkeit bei dem elek-

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trischen Rückfördergebläse 64 zugeführter minimaler Leistung» Wenn weniger als die volle Kühlkapazität verlangt wird oder wenn die im Kreislauf zurückgeförderte Luft aus der Kabine in der Leitung 58 nicht ausreicht, um das Eis von dem Auslaß der Turbine 36 zu entfernen, wird Eis in dem Turbinenauslaß und den stromabwärtigen Kanälen sowie in dem Kondensator 50 durch ein Enteisungssteuerventil 40 verhindert, über das warme Luft dem Turbinenauslaß über eine Leitung 67 zugeführt itfird. Ein Vereisungsfühler 74 ist in der Leitung stromabwärts von dem Anschluß der rückgeförderten Luft in der Leitung 58 und stromabwärts von dem Warmluftanschluß in der Leitung 67 angeordnet. Der Vereisungsfühler 74 stellt fest, wann die Luft in der Leitung 68 sich dem Vereisen nähert. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Vereisungsfühler 74 ein Druck- oder Temperaturfühler, der die Lufttemperatur an dem Eingang in die kalte Seite des Kondensators 50 reguliert, um eine Vereisung zu verhindern. Selbstverständlich können auch andere Einrichtungen zum Eisabfühlen benutzt werden, wie beispielsweise schwingende Zylinder, verstopfende Druckluftöffnungen und dgl. Wenn das Auftreten von Eis abgefühlt wird, so wird das Enteisungssteuerventil 40 durch ein Signal auf einer Leitung 75 geöffnet, um Warmluft von stromaufwärts der Turbine der TurbinenauslaSluft an einer Stelle stromaufwärts des Eintrittes des Luftgemisches in die kalte Seite des Kondensators 50 zuzusetzen. Das Enteisungssteuerventil 40 schützt den Kondensator 50 vor dem Vereisen, allerdings nur, nachdem die im Kreislauf zurückgeförderte Luft in der Leitung 58 vollständig für diesen Zweck benutzt worden ist.

Der übrige Teil des Luftumlaufkühlsystems, das in den Figuren dargestellt ist, enthält herkömmliche Teile, die so angeordnet sind, daß der Betrieb des zuvor beschriebenen Systems verbessert wird. Die Versorgungsluftquelle (nicht dargestellt) für das Kühlsystem kann der Verdichter eines Gasturbinentriebwerkes oder ein Hilfstriebwerk oder beides

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sein. Die Versorgungsluftquelle gibt Luft mit relativ hoher Temperatur und relativ hohem Druck über den Einlaßkanal 10 an ein Strömungssteuerabsperrorgan 12 ab. Das Absperrorgan 12 ist typischerweise eine Klappe und dient zum Regulieren des Druckes und der Strömungsgeschwindigkeit der dem Kühlsystem zugeführten Versorgungsluft.

Die Versorgungsluft verläßt das Absperrorgan 12 über eine Leitung 14 und wird auf zwei unabhängige Kanäle verteilt, einen Kanal 14a, der die Versorgungsluft durch ein Zonentrimmventil 16 und dann durch eine Leitung 18 leitet, wobei die warme Versorgungsluft nach Bedarf mit der konditionierten Luft in der Leitung 76 gemäß einem Temperatürsteuerthermostaten (nicht gezeigt) od.dgl. in den Kabinenversorgungskanälen oder in der Kabine vermischt wird, der die Position des Ventils 16 einstellt, um die Temperatur der der Kabine 15 zugeführten Luft zu steuern. Im allgemeinen kann das Vermischen der warmen Luft mit der gekühlten Luft, um die gewünschte Kabinentemperatur zu erhalten, an jeder zweckmäßigen Stelle in den Versorgungskanälen erfolgen und die warme Luft kann aus jeder geeigneten Quelle geliefert werden. Die Versorgungsluft wird außerdem über den Kanal 14b einem Doppelwärmetauscher 20 zugeführt, der einen primären Wärmetauscherteil (PHX) 22 und einen sekundären Wärmetauscherteil (SHX) 24 aufweist. Der Doppelwärmetauscher 20 dient dem Zweck, die warme Versorgungsluft zu kühlen, wobei das Kühlen durch einen gemeinsamen Sekundärströmungsweg in dem Wärmetauscher 20 erfolgt, der typischerweise mit Staudruck-Luft über einen Einlaß 26 an der Außenseite des Flugzeuges oder mit aus dem Einlaß eines Turbinentriebwerkes abgezapfter Luft versorgt wird. Die Sekundärluft, die sich auf Umgebungstemperatur befindet und viel kühler als die Versorgungsluft ist, geht durch den Primärwärmetauscher 22 und den Sekundärwärmetauscher 24 hindurch und wird aus dem Flugzeug über Auslaßleitungen 28 und 30 abgelassen. Ein Steuerventil 32 kann in der Leitung 30 angeordnet sein, um

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die Strömung von Sekundärluft durch den Wärmetauscher 20 einzustellen. Ein Gebläse 34, das durch die Turbine 36 angetrieben wird, kann in der SekundärluftStrömungsleitung 28 vorgesehen sein, um eine kontinuierliche Strömung von Sekundärluft durch den Wärmetauscher 20 zu allen Zeiten aufrechtzuerhalten.

Die Versorgungsluft in dem Kanal 14b geht zuerst durch den Primärwärmetauscher 22 hindurch, in welchem eine Kühlung durch die Sekundärluft erfolgt. Die vorgekühlte Versorgungsiuft verläßt dann den Primärwärmetauscher 22 über eine Leitung 38. Unter der Voraussetzung, daß das Temperatursteuerventil 40 in der Leitung 38 geschlossen ist, was einen Bedarf an voller Kühlkapazität angibt, geht sämtliche vorgekühlte Versorgungsluft in der Leitung 38 dann durch den Kanal 42 hindurch und in einen Verdichter 44. Der Verdichter 44 wird ebenfalls über eine mechanische Verbindung durch die Turbine 36 angetrieben. Da das Ventil 40 geschlossen ist, wenn eine maximale Kühlung erzeugt wird, würde der Wirkungsgrad, der sich durch die Erfindung ergibt, nicht verringert werden, wenn die warme Luft für die Kabinentemperaturregulierung, die über den Kanal 14a, das Ventil 16 und die Leitung 18 geliefert wird, in die Leitung 56 oder 68 statt in die Leitung 76, wie es in der Figur dargestellt ist, eingeleitet würde.

Die Versorgungsluft verläßt den Verdichter 44 über einen Kanal 46 und geht dann durch den Sekundärwärmetauscher 24 hindurch, in welchem sie erneut durch Wärmeaustausch mit der Sekundärluft gekühlt wird. Die Temperatur der Luft, die die Hochdruckseite des Sekundärwärmetauschers 24 verläßt, kann unter ihrem Taupunkt liegen, so daß ein Teil der Feuchtigkeit in der Luft niedergeschlagen und aus dem System an dieser Stelle abgeführt werden kann.

Die Versorgungsluft, die den Sekundärwärmetauscher 24 ver-

läßt, geht dann über den Kanal 48 in den zuvor beschriebenen Regenerativwärmetauscher, den Kondensator 50, wo jedwede restliche Feuchtigkeit in der Luft aus dieser mit Hilfe von indirektem Wärmeaustausch in dem Kondensator mit der kalten Luft in der Leitung 68 entfernt wird. Die Feuchtigkeit, die aus der Versorgungsluft entfernt wird, kann aus dem System über einen Hahn 54 in dem Kanal 52 abgelassen werden. Bei Bedarf kanndas so gesammelte Wasser in den Sekundärluftstrom unmittelbar stromaufwärts des Wärmetauschers 20 eingesprüht werden, um die Gesamtkühlkapazität des Systems zu vergrößern.

Die Versorgungsluft, die den Kondensator 50 über den Kanal 52 verläßt, wird dann der Turbine 36 zugeführt, in welcher sie expandiert und abkühlt. Das Ausmaß, in welchem die Versorgungsluft durch die Turbine gekühlt wird, ist eine Funktion des Vorhandenseins der Versorgungsluft und, wenn der Luftdruck steigt, wird dia Temperatur der Luft an dem Turbinenauslaß aufgrund des erhöhten Turbinendruckverhältnisses niedriger. Die Turbine liefert außerdem mechanische Leistung zum Antreiben des Gebläses 34 und des Verdichters 44, was durch eine Welle 53 dargestellt ist.

Die durch die Turbine 36 gekühlte und in die Leitung 56 geleitete Luft kann in der Temperatur von oberhalb des Gefrierpunktes bis deutlich : unterhalb des Gefrierpunktes reichen. Zum Vermeiden einer Vereisung des Triebwerksauslasses und der stromabwärtigen Kanäle wird die im Kreislauf zurückgeförderte Kabinenluft, wie oben bereits erwähnt, in der Leitung 58 mit der Turbinenauslaßluft in der Leitung 56 vermischt, wobei sich die beiden Luftströme an einer Stelle vermischen, die etwas stromabwärts von dem Turbinenauslaß liegt. Die aus der Kabine rückgeförderte Luft wird über einen Einlaßkanal 60 innerhalb der Kabine 15 geliefert und durch ein geeignetes Filter 62 hindurchgeleitet, in welchem Kohlendioxyd, Verunreinigun-

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gen und ein Teil der Feuchtigkeit entfernt werden. Das elektrische Gebläse 64, das in der Leitung 56 angeordnet ist, ist so bemessen, daß es im maximal möglichen Ausmaß die größte Kabinenlüftungsgeschwindigkeit bei minimaler Rückfördergebläseleistung erzeugt.

Bei Bedarf kann in Abhängigkeit von der besonderen Umgebungssteuersystemkonfiguration ein Teil der im Kreislauf zurückgeförderten Kabinenluft in der Leitung 58 über eine Beipaßleitung (nicht dargestellt), die eine feste öffnung enthält, abgezweigt werden, um mit der Luft in der Leitung 76 stromabwärts von dem Kondensator 50 vermischt zu werden, wobei der Beipaßweg als eine Strömungsausgleichseinrichtung zum weiteren Verringern des Leistungsbedarfes des elektrischen Gebläses 64 dient. Durch diese Modifizierung wird der Wirkungsgrad des Systems nicht verringert, da die Menge der Luftströmung zu der Kabine weiterhin die Summe aus der Versorgungsluft und der im Kreislauf zurückgeförderten Kabinenluft ist.

Die rückgeförderte Kabinenluft in der Leitung 58 hat typischerweise eine Temperatur von etwa 24 ⁰C. Wenn sie mit der sehr kalten Luft aus dem Turbinenauslaß vermischt wird, wird die Temperatur des Gemisches im allgemeinen oberhalb des Gefrierpunktes liegen und keine Vereisungsprobleme in dem Turbinenauslaß, dem stromabwärtigen Kondensator und den Kabinenkanälen hervorrufen. Unter gewissen Umständen kann jedoch der Wärmeinhalt der rückgeförderten Luft nicht ausreichen, um Eis in dem Turbinenauslaß zu schmelzen. Um sicherzustellen, daß kein Eis auftritt, ist der Vereisungsfühler 74 in der Leitung 68 stromabwärts von der Stelle angeordnet, wo die rückgeförderte Kabinenluft in der Leitung 58 mit der Turbinenauslaßluft vermischt wird. Der Vereisungsfühler 74, der mit dem Ventil 40 über die Leitung 75 verbunden ist, öffnet das Ventil 40, wenn die Temperatur der

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Luft in dem Kanal 68 unterhalb einer vorbestimmten Temperatur von beispielsweise 2 ⁰C ist oder wenn das Vorhandensein von Eis abgefühlt wird. Das öffnen des Ventils 40 gestattet warmer Versorgungsluft aus dem Kanal 38, durch das Ventil 40 und die Leitung 67 hindurchzugehen und sich mit Luft in der Leitung 68 stromabwärts von dem Anschluß der rückgeförderten Luft in der Leitung 58 zu vermischen, um zu gewährleisten, daß die Temperatur in der Leitung 68 nicht niedriger als etwa 2 ⁰C ist, so daß kein Eis vorhanden sein wird. Der Vereisungsfühler 74 ist stromabwärts der Leitung 67 angeordnet, so daß er das Vorhandensein von Eis oder die Temperatur der in den Kondensator 50 eintretenden Luft, d.h. die Temperatur des Gemisches aus der Turbinenauslaßluft, der rückgeförderten Kabinenluft und der warmen Luft, wenn vorhanden, abfühlt, die über das Ventil 40 und die Leitung 67 in die Leitung 68 geleitet wird. Die Luft in der Leitung 68, die immer eine Temperatur hat, welche hoch genug ist, um ein Gefrieren zu verhindern, wird dann durch den Kondensator 50 geleitet, um in Wärmeaustauschbeziehung mit der Versorgungsluft in der Leitung 48 zu bewirken, daß Feuchtigkeit in dem warmen Luftstrom in der Leitung 48 kondensiert.

Die Luft, die aus dem Kondensator 50 über die Leitung 76 zu der Kabine 15 geleitet wird, ist, wie oben bereits erwähnt, immer die Summe der Versorgungsluft plus der rückgeförderten Kabinenluft, ohne eine Vergeudung darstellende oder unnötige parallele Strömungswege, die den Systemwirkungsgrad reduzieren würden. Die Temperatur der konditionierten Luft liegt normalerweise über 2 ⁰C, weil die Temperatur der Luft in der Leitung 68, die wenigstens 2 ⁰C oder mehr beträgt, durch den Umfang des Kaltseitentemperaturanstieges durch den Kondensator 50 ansteigt. Das ist in den meisten Fällen kein Nachteil, da die endgültige Wirksamkeit des Kühlsystems nicht durch die genaue Temperatur der der Kabine zugeführten Luft gemessen wird, sondern ei-

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ne Funktion sowohl der Temperatur als auch der Luftströmung ist, und, je niedriger die Temperatur der Luft ist, umso geringer ist der Luftstrom, der erforderlich ist, um die gewünschte Kabinentemperatur zu erzeugen.

Das vorstehend beschriebene System ergibt einen verbesserten Zykluswirkungsgrad und einen geringeren Energieverbrauch in Verbindung mit der maximal möglichen Lüftungsleistung oder -geschwindigkeit für die Kabine.

Eine Abwandlung des Umgebungssteuersystems' ist in Fig. 2 gezeigt. In dieser Ausführungsform ist der Fühler 74 an eine Stelle in der Leitung 76 stromabwärts des Regenerativkondensators 50 verlegt worden, so daß er sich nicht mehr in der Leitung 68 stromaufwärts des Regenerativkondensators befindet. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß sie ein besseres Vermischen der Luft in der Leitung 68 ergibt. Ein beträchtlicherer Vorteil besteht darin, daß, wenn der Fühler 74 ein Temperaturfühler ist, er für die Bildung von Eis auf ihm empfindlich ist, wenn er stromaufwärts des Kondensators angeordnet ist. Selbstverständlich wird dadurch bewirkt, daß das Ventil 40 öffnet und warme Luft in die Leitungen 67 und 68 einläßt, wobei aber das Eis auf dem Temperaturfühler nicht sofort schmilzt, auch dann nicht, wenn die umgebende Luft eine Temperatur hat, die höher als 0 ⁰C ist, und, solange der Temperaturfühler mit Eis bedeckt ist, wird er auf 0 ⁰C bleiben und das Ventil 40 offen halten, bis das Eis auf dem Fühler schmilzt. Das kann in der Leitung 68 eine Temperatur der Luft ergeben, die viel höher als erwünscht ist, und zu einem unregelmäßigen Ansprechen in dem Steuersystem führen.

Wenn der Temperaturfühler 74 in der Leitung 76 angeordnet ist, werden die vorstehenden Probleme vermieden. Der Fühler 74 muß jedoch auf eine Temperatur von beispielsweise 7 ⁰C eingestellt werden, damit der Temperaturanstieg an dem Konden-

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sator 50 berücksichtigt wird. Zum Verhindern von Eisbildung an dem Turbinenauslaß und dem Einlaß des Kondensators 50 muß also eine Temperatur von 2 ⁰C oder in dieser Größenordnung in der Leitung 68 aufrechterhalten werden und die Temperatur der Luft in der Leitung 68 wird ansteigen, wenn die Luft durch den Kondensator 50 hindurchgeht, und das Einstellen des Temperaturfühlers 74 derart, daß das Ventil 40 öffnet, wenn die Temperatur in der Leitung 76 unter etwa 7 ⁰C abfällt, stellt sicher, daß die Temperatur in der Leitung 68 nicht unter den Gefrierpunkt abfällt. Da der Temperaturanstieg in dem Kondensator 50 sich etwas in Abhängigkeit von Faktoren ändern wird, wie dem Gesamtluftstrom, der Temperatur der abgezapften Luft und der Temperatur der Staudruck-Luft, müssen bei der Temperatureinstellung des Fühlers 74 diese Faktoren berücksichtigt werden, wobei aber das Gesamtergebnis unbedeutend ist, da die Luft in der Leitung 76 mit warmer Luft aus der Leitung 18 vermischt wird, bevor sie der Kabine zugeführt wird.

In Fig. 2 ist das elektrische Gebläse 64 weggelassen und durch einen Ejektor 69 an der Schnittstelle der Leitung 58 mit der Leitung 68 ersetzt worden. Außerdem wird die im Kreislauf zurückgeförderte Luft in die Leitung 68 stromabwärts der Leitung 67 eingeleitet. Es ist in Wirklichkeit unwesentlich, wo die Leitungen 67 und 58 in die Leitung 68 eintreten, solange für die richtige Luftvermischung gesorgt wird. Der Ejektor 69 bietet dieselben Vorteile hinsichtlich des Wirkungsgrades wie das elektrische Gebläse.

Ein anderes Prinzip mit niedrigerem Wirkungsgrad zum Lösen der Aufgabe der Erfindung würde darin bestehen, zwei Rückförderschleifen parallel statt der einzigen Rückförderschleife nach der Erfindung zu benutzen. Beispielsweise würde eine der parallelen Rückförderschleifen aus der BeIa.-stung zurückkönnende Luft aufnehmen und sie mit der Turbinenauslaßluft vermischen und dann direkt zu dem Kabinenversor-

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gungskanal leiten, ohne sie über die kalte Seite des Kondensators zu führen. Die zweite parallele Rückförderschleife würde Luft aus dem Kabinenversorgungskanal aufnehmen und zurück über die kalte Seite des Kondensators führen und sie dann mit der Turbinenauslaßluft vermischen. Solche Systeme mit "parallelen" Schleifen unterscheiden sich in ihrem Aufbau und ihrem Wirkungsgrad beträchtlich von dem vorstehend beschriebenen System nach der Erfindung, weil in allen diesen Systemen mit parallelen Schleifen die Belastung den Vorteil von nur einer der Rückförderschleifen hat und deshalb nur ein Teil der Gesamtrückforderströmung ausgenutzt wird. In dem System nach der Erfindung hat die Belastung den Vorteil der gesamten rückgeförderten Strömung. Das ist ein Schlüssel zu dem beträchtlichen Wirkungsgradvorteil, den die Erfindung mit sich bringt.

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Claims

Patentansprüc h e :

1. Luftumlaufkühlsystem für ein Flugzeug, das Druckluft empfängt und einer Kabine od.dgl. gekühlte Luft liefert, gekennzeichnet durch:

eine Turbine mit einem Einlaß und einem Auslaß, wobei der Einlaß die Druckluft empfängt und die Turbine die Luft durch den Auslaß expandiert und kühlt;

eine Einrichtung, die Luft mit einer Temperatur oberhalb des Gefrierpunktes aus der Kabine od.dgl. im Kreislauf zu einem Anschluß stromabwärts von dem Auslaß der Turbine zurückfördert, wodurch die zurückgeförderte Luft mit der kalten Luft aus der Turbine vermischt wird, um in dem Turbinenauslaß vorhandenes Eis zu schmelzen und um die zurückgeförderte Kabinenluft zu kühlen;

einen Regenerativkondensator, der über Wärmeaustauschflächen·

in seinem Inneren die Druckluft stromaufwärts des Turbineneinlasses mit dem gekühlten Luftgemisch stromabwärts des Anschlusses verbindet, wobei das gekühlte Luftgemisch Wärme aus der Druckluft absorbiert und die Druckluft unter ihren Taupunkt abkühlt, so daß Feuchtigkeit in der Druckluft an den Wärmeaustauschflächen kondensiert und zum Entfernen verfügbar gemacht wird; und

eine Einrichtung, die das gekühlte Luftgemisch aus dem Regenerativkondensator zu der Kabine od.dgl. leitet, wobei die Luftströmungsmenge, die der Kabine od.dgl. zugeführt wird, gleich der Summe der Druckluft und der zurückgeförderten Luft ist.

2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Abführen der in dem Regenerativkondensator kondensierten Feuchtigkeit.

3. System nach Anspruch 1 oder 2 , gekennzeichnet durch:

eine Fühleinrichtung, die stromaufwärts von dem Regenerativkondensator und stromabwärts von dem Anschluß angeordnet ist;

eine Einrichtung, die auf die Fühleinrichtung anspricht und dem Luftgemisch stromaufwärts der Fühleinrichtung und stromabwärts des Turbinenauslasses genügend Druckluft mit einer Temperatur zusetzt, die höher als die des Luftgemisches ist, um das Luftgemisch oberhalb des Gefrierpunktes zu halten und um die Bildung von Eis während Betriebszuständen des Systems zu verhindern, wenn die aus der Kabine od.dgl. zurückgeförderte Luft einen Wärmeinhalt hat, der nicht ausreicht, um das Luftgemisch oberhalb des Gefrierpunktes zu halten.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleinrichtung ein Temperaturfühler ist.

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5. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleinrichtung ein Druckfühler ist.

6. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

eine Temperaturfühleinrichtung, die stromabwärts des Regenerativkondensators angeordnet ist; und

eine Einrichtung, die auf die Temperaturabfühleinrichtung anspricht und dem Luftgemisch stromaufwärts des Regenerativkondensators und stromabwärts des Turbinenauslasses genügend Druckluft mit einer Temperatur zusetzt, die höher als die des Luftgemisches ist, um das Luftgemisch oberhalb des Gefrierpunktes zu halten und um die Bildung von Eis während Betriebszuständen des Systems zu verhindern, wenn die aus der Kabine od.dgl. zurückgeförderte Luft einen Wärmeinhalt hat, der nicht ausreicht, um das Luftgemisch oberhalb des Gefrierpunktes zu halten.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die Luft aus der Kabine od. dgl. im Kreislauf zurückfördert, eine Kanalanordnung enthält, welche die Kabine od.dgl. mit dem Anschluß verbindet, und ein elektrisches Gebläse, das in der Kanalanordnung angeordnet ist.

8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die Luft aus der Kabine od. dgl. im Kreislauf zurückfördert, eine Kanalanordnung enthält, die die Kabine od.dgl. mit dem Anschluß verbindet, und einen Ejektor, der an dem Anschluß angeordnet ist, wo die Kanalanordnung die Verbindung mit dem Anschluß herstellt, wobei Druckenergie aus dem Turbinenauslaß zum Pumpen der zurückgeförderten Luft benutzt wird.

9. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

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eine Umgebungsluftquelle;

eine Wärmeaustauscheinrichtung/ die über Wärmeaustauschflächen in ihrem Inneren die Druckluft stromaufwärts des Regenerativkondensators mit der Umgebungsluft verbindet, welch letztere Wärme aus der Druckluft absorbiert und die Druckluft kühlt;

eine Einrichtung zum Abgeben der Umgebungsluft aus dem System; und

eine Einrichtung, die die Druckluft aus der Wärmeaustauscheinrichtung zu dem Regenerativkondehsator leitet.

10. System nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein Gebläse, das durch die Turbine angetrieben wird und mit der Umgebungsluftquelle und der Umgebungsluftabgabeeinrichtung in Verbindung steht, um einen kontinuierlichen Strom von Umgebungsluft durch die Wärmeaustauscheinrichtung aufrechtzuerhalten.

11. System nach Anspruch 9 oder 10 gekennzeichnet durch einen Verdichter, der durch die Turbine angetrieben wird, die Druckluft empfängt und die verdichtete Druckluft zu der Wärmeaustauscheinrichtung fördert.

12. System nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscheinrichtung einen Primärwärmetauscher und einen Sekundärwärmetauscher enthält.

13. Luftumlaufkühlsystem für die Kabine od.dgl. in einem Flugzeug, gekennzeichnet durch:

eine Druckluftquelle;

,einen Regenerativkondensator, der die Druckluft empfängt und Feuchtigkeit aus der Druckluft entfernt und außerdem mit ei-

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nem Kühlmittel in Wärmeaustauschbeziehung mit der Luft versorgt wird;

eine Expansionsturbine, die die Druckluft aus dem Regenerativkondensator empfängt und die Temperatur derselben senkt;

eine Einrichtung, die Luft aus der Kabine od.dgl. bei einer Temperatur oberhalb des Gefrierpunktes im Kreislauf zurückfördert;

eine Einrichtung zum Vermischen der aus der Kabine od.dgl. im Kreislauf zurückgeförderten Luft mit der gekühlten Luft, die von der Turbine abgegeben wird, um das Luftgemisch auf einer Temperatur oberhalb des Gefrierpunktes zu halten und die Bildung von Eis zu verhindern;

eine Einrichtung, die das Luftgemisch als das Kühlmittel durch den Regenerativkondensator hindurchleitet; und

eine Einrichtung, die das Luftgemisch aus dem Regenerativkondensator zu der Kabine od.dgl. fördert, wobei die Luftströmungsmenge, die zu der Kabine od.dgl. gefördert wird, gleich der Summe aus der Druckluft und der zurückgeförderten Luft ist.

14. System nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch:

eine Fühleinrichtung, die.stromaufwärts des Regenerativkondensators angeordnet ist; und

eine Einrichtung, die auf einen vorgewählten Zustand der Äbfühleinrichtung anspricht, um warme Luft dem Luftgemisch stromaufwärts der Fühleinrichtung zuzusetzen und dadurch das Vereisen des Luftgemisches zu verhindern.

15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die

Fühleinrichtung ein Temperaturfühler ist.

16. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleinrichtung ein Druckfühler ist.

17. System nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch:

eine Temperaturabfühleinrichtung, die stromabwärts des Regenerativkondensators angeordnet ist; und

eine Einrichtung, die auf eine vorgewählte Temperatur der Temperaturabfühleinrichtung anspricht, um warme Luft dem Luftgemisch zwischen dem Turbinenauslaß und dem Regenerativkondensator zuzusetzen und dadurch das Vereisen des Luftgemisches zu verhindern.

18. Verfahren zum Kühlen einer Kabine od.dgl. in einem Flugzeug aus einer Druckluft quelle, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Entfernen von Feuchtigkeit aus der Druckluft durch Wärmeaustausch in einem Regenerativkondensator zwischen der Druckluft und einem Kühlmittel;

Expandieren der Druckluft nach dem Entfernen von Feuchtigkeit aus derselben durch eine Turbine zum Kühlen der Luft;

Vermischen von Luft, die im Kreislauf.aus der Kabine od. dgl. zurückgefördert worden ist, mit der gekühlten Luft an dem Auslaß der Turbine, so daß das sich ergebende Luftgemisch Eis in der Turbine verhindert und die zurückgeförderte Luft kühlt;

Hindurchleiten des Luftgemisches als das Kühlmittel durch den Regenerativkondensator; und

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Fördern des Luftgemisches aus dem Regenerativkondensator zu der Kabine od.dgl., wobei das Luftgemisch gleich der Summe aus der Druckluft und der zurückgeförderten Luft ist.

19. Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Abfühlen eines Zustandes des Luftgemisches stromaufwärts des Regenerativkondensators; und

Zusetzen einer Menge warmer Luft, die ausreicht, um eine Eisbildung zu verhindern, wenn der abgefühlte Zustand des Luftgemisches bedeutet, daß eine Vereisung hervorgerufen wird, zu dem Luftgemisch an einer Stelle stromabwärts des Turbinenauslasses und stromaufwärts des Regenerati-vkondensators.

20. Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Abfühlen der Temperatur des Luftgemisches stromabwärts des Regenerativkondensators; und

Zusetzen zu dem Luftgemisch an einer Stelle stromabwärts des Turbinenauslasses und stromaufwärts des Regenerativkondensators einer Menge von Warmluft, die ausreicht, um eine Eisbildung darin bei einer vorgewählten Temperatur des Luftgemisches stromabwärts des Regenerativkondensators zu verhindern .