DE60311559T2

DE60311559T2 - Klimaanlage

Info

Publication number: DE60311559T2
Application number: DE60311559T
Authority: DE
Inventors: Richard James Somerset Axe; Richard Grant Somerset Hunt
Original assignee: Honeywell Normalair Garrett Holdings Ltd
Current assignee: Honeywell UK Ltd; Honeywell Aerospace BV
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2023-10-10
Also published as: EP1418123A2; US6883335B2; EP1418123B1; EP1418123A3; US20040089016A1; GB0226109D0; ES2279045T3; DE60311559D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Klimaanlage und insbesondere auf eine Klimaanlage für ein Flugzeug.
In einem Flugzeug besteht die Anforderung zur Zuführung kühler Luft in eine Druckkabine dieses Flugzeugs. Gewöhnlich wird die Kabinenluft zirkuliert, wobei ein Teil der Luft durch Luft, die aus dem externen Bereich des Flugzeugs stammt, erneuert wird.
Diese externe Luft wird typischerweise vom Triebwerk des Flugzeugs abgezapft und steht somit unter Druck. Diese Luft muß filtriert und abgekühlt werden, woraufhin sie mit der Umluft gemischt und zum Atmen und zur Aufrechterhaltung angenehmer Bedingungen in die Flugzeugkabine des Flugzeugs eingebracht wird.
Es ist bekannt, daß die Luft durch einen Wärmeaustausch der heißen Druckluft mit kühlerer Umgebungsluft abgekühlt wird. Das kann dadurch wirksam erzielt werden, daß zuerst die von den Triebwerken abgezapfte Luft verdichtet wird, um ihre Temperatur und ihren Druck zu erhöhen, bevor die Luft abgekühlt wird. Außerdem ist bekannt, daß die Luft weiter abgekühlt wird, indem sie sich über einer Expansionsturbine expandiert, was auch zu einem gewissen Druckverlust in der Druckluft führt.
Bei herkömmlichen Anlagen wird die heiße Kabinenluft von der Klimaanlage ausgestoßen, und der Verlust des Volumens wird durch die gekühlte, konditionierte abgezapfte Luft ergänzt. Somit geht die Wärmeenergie der heißen Kabinenluft, die ausgestoßen wird, verloren.
Besonders, wenn ein Flugzeug unter heißen klimatischen Bedingungen auf dem Boden geparkt ist, kann die Kabinenluft sehr heiß werden, und durch Einsatz einer herkömmlichen Klimaanlage könnte es nach dem Einschalten der Klimaanlage, wie z. B., wenn ein Triebwerk bzw. Triebwerke des Flugzeugs angelassen werden, oder wenn eine am Boden basierte Unterstützungseinheit zum Bereitstellen von Luft an die Klimaanlage verwendet wird, einige Zeit dauern, bis die Kabinenluft auf die gewünschte Temperatur abgekühlt wird. Dabei könnte eine beträchtliche Menge Wärmeenergie verloren gehen.
US-A-5461 882 gibt ein Luftzyklus-Umweltkontrollsystem (Air Cycle Environmental Control System) an, wobei heiße Kabinenluft zum Betreiben eines Triebwerks verwendet wird, woraufhin sie mit Umgebungsluft vermischt und zum Abkühlen heißer Druckluft verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Klimaanlage für Flugzeuge, in der die Kabinenluft in Umlauf gebracht (recirculate) und mit kalter Luft von einer Klimaanlage vermischt wird, die mindestens eine Expansionsturbine enthält, über der die warme Druckluft expandiert und abgekühlt wird und worin die Anlage einen Belastungswärmeaustauscher enthält, wobei die Wärmebelastung der heißen Kabinenluft mit der warmen Druckluft ausgetauscht wird, bevor die Druckluft von der Expansionsturbine expandiert wird. In einer solchen Anlage könnte die Abwärme in der Kabinenluft nützlich eingesetzt werden, um die Energie zur Verbesserung der Kühlleistung der Expansionsturbine bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung stellen wir eine Klimaanlage für ein Flugzeug nach Anspruch 1 bereit.
Somit wird die Wärmerückgewinnung in einer Anlage gemäß der Erfindung verbessert, und kann Wasser, das in der warmen Druckluft enthalten ist, entfernt werden. Ein Vorteil beim Entfernen von Wasser von der warmen Druckluft, bevor sie in der Expansionsturbine expandiert und abgekühlt wird, ist, daß eine Bildung von Wassertröpfchen in der Druckluft aufgrund ihrer Verdichtung eine Beschädigung der Schaufel der Expansionsturbine, die typischerweise mit Zehntausenden U/min. läuft, verursachen kann.
Die Kabinenumluft könnte durch den Wärmeaustauscher des Kondensators laufen, um Wasser abzukühlen und von der warmen Druckluft zu entfernen, nachdem sie durch den Belastungswärmeaustauscher gelaufen ist, um die Wärme an die Druckluft abzugeben.
Anderenfalls kann die umlaufende heiße Kabinenluft durch den Wärmeaustauscher des Kondensators laufen, um die Druckluft abzukühlen und Wasser von ihr zu entfernen, woraufhin sie durch den Belastungswärmeaustauscher läuft, um Wärmeenergie an die Druckluft abzugeben.
Die Anlage kann wahlweise in einem der beiden obengenannten Modi betrieben werden.
Die Druckluft kann von einem Triebwerk des Flugzeugs entnommen werden (abgezapfte Luft), und in diesem Fall ist sie heiß und steht unter Druck, weshalb sie abgekühlt werden muß, bevor sie zum Einbringen in die Flugzeugkabine mit der Umluft vermischt wird. Sie könnte zuerst abgekühlt werden, indem Wärme mit der Umgebungsluft ausgetauscht wird, die mindestens durch einen Wärmeaustauscher läuft, durch den die abgezapfte Luft als Folge der Bewegung des Flugzeugs (Staudruckluft) oder durch Einsatz eines oder mehrerer Gebläse (die durch die Expansionsturbine angetrieben werden könnten) durchgeleitet wird.
Das Wasser, das von der warmen Druckluft entfernt wurde, kann z. B. in Form eines Sprays in die Umgebungsluft vor dem bzw. den Wärmeaustauscher(n), der zuerst die abgezapfte Luft abkühlt, abgegeben werden, um die Kühlung der letzteren zu unterstützen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung stellen wir ein Verfahren zum Betreiben der Klimaanlage bereit, wie in Anspruch 6 beansprucht.
Es werden nun Ausführungsformen der Erfindung mit Hilfe von Beispielen und unter Hinweis auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei
1 ein illustratives Schaubild einer Klimaanlage gemäß der Erfindung ist;
2 ein illustratives Schaubild einer modifizierten Version der Klimaanlage ist;
2a eine Modifikation der Anlage von 2 zeigt.
Unter Bezugnahme auf 1 der Zeichnungen enthält eine Klimaanlage 10 für ein Flugzeug eine Staudrucklufteintrittsöffnung 11, durch die Umgebungsluft in die Anlage 10 eingebracht wird, während das Flugzeug in der Luft ist, wobei die Staudruckluft allgemein aufgrund der Bewegung des Flugzeugs durch die Luft in die Anlage 10 hineingetrieben wird.
Die Anlage 10 beinhaltet außerdem eine weitere Lufteintrittsöffnung 12 für die Luft, die dem Triebwerk entnommen wurde. Diese abgezapfte Luft ist heißer als die Staudruckluft und steht unter Druck.
Die heißere abgezapfte Luft von der Lufteintrittsöffnung 12 wird in einen Primär-Wärmeaustauscher 16 gespeist, wo die Wärme mit der kühleren Staudruckluft von der Staudrucklufteintrittsöffnung 11 ausgetauscht wird. Die kühlere Staudruckluft von der Staudrucklufteintrittsöffnung 12 wird auch zum Abkühlen der heißen Luft in einem Sekundär-Wärmeaustauscher 18 verwendet, wie unten beschrieben. Die so erwärmte Staudruckluft kehrt dann, falls gewünscht, unter Einsatz der Gebläse 19, 20 zur Umgebungsluft zurück, wie unten beschrieben.
Die Gebläse 19, 20 helfen beim Einsaugen der Staudruckluft durch die Staudrucklufteintrittsöffnung 11, insbesondere, wenn das Flugzeug auf dem Boden ist, z. B. wenn das Flugzeug rollt.
Die Klimaanlage 10 beinhaltet eine 2-stufige Verdichter/Turbinen-Anordnung. In einem Verdichterabschnitt der Anlage 10 wird die abgekühlte, abgezapfte Luft zuerst vom Primär-Wärmeaustauscher 16 über einen Kanal 22 an einen Niederdruckverdichter 23 gespeist, der somit die abgezapfte Luft unter Druck setzt und erhitzt. Vom Niederdruckverdichter 23 wird die unter Druck gesetzte und erhitzte Luft entlang eines Kanals 24 an einen Hochdruckverdichter 25 gespeist, und dort wird die Luft noch weiter unter Druck gesetzt und erwärmt.
Die dadurch resultierende unter hohem Druck stehende und heiße Luft wird am Kanal 27 entlang an den Sekundär-Wärmeaustauscher 18 geleitet, und vom Sekundär-Wärmeaustauscher 18 läuft die abgekühlte und jetzt warme unter hohem Druck stehende Luft am Kanal 29 entlang zu einem Kühlabschnitt der Anlage 10. Die warme Druckluft wird vom Kanal 29 an einen Wärmeaustauscher des Kondensators 130 gespeist, woraufhin (wahlweise) ein Wasserabscheider 31 folgt. Im Wärmeaustauscher 130 wird die warme Druckluft zu einem bestimmten Zweck (der unten erklärt wird) abgekühlt, und diese Abkühlung verursacht die Abscheidung des Wassers. Eine solche Wasserabscheidung ist bei einem hohen Druck der Druckluft effektiv.
Die warme Druckluft wird dann über einen Kanal 32 an eine erste, Hochdruck-Expansionsturbine 34 gespeist, und dort expandiert sich die Druckluft und wird abgekühlt. Von der Hochdruckturbine 34 wird die abgekühlte, aber immer noch warme Niederdruckluft an einem Kanal 35 entlang geleitet (enthält möglicherweise einen weiteren Wasserabscheider [nicht gezeigt] zum weiteren Trocknen der Luft), und die getrocknete Mitteldruckluft läuft dann über einen Belastungswärmeaustauscher 38, wobei die Luft erwärmt wird, über einen Kanal 140 zu einer zweiten (Niederdruck-) Expansionsturbine 41, wobei die Luft weiterhin wesentlich abgekühlt und ihr Druck reduziert wird. Die kalte Luft läuft von der zweiten Expansionsturbine 41 über einen Kanal 42 zu einem Mischkasten 43, von dem Luft an eine Flugzeugkabine 44, 45 geleitet wird. Es werden zwei Kanäle gezeigt, die vom Mischkasten 43 zu den entsprechenden Teilen der Kabine 44, 45 führen, wie z. B. dem Hauptkabinenteil und dem Pilotenstand des Flugzeugs.
Luft wird von der Flugzeugkabine 44, 45 über eine Umlaufschleife, einschließlich eines Kanals 62 mit einem Gebläse 60 und eines Kanals 66, der zum Mischkasten 43 führt, in dem die Kabinenumluft mit der kalten Luft vom Kanal 42 gemischt wird, zirkuliert. Ein Luftauslaß für einen Teil der Luft von der Kabine 44, 45 an die Umgebungsluft wird bei 47 gezeigt, einschließlich eines Ventils zur Steuerung dieses Auslasses.
In diesem Beispiel sind der Niederdruckverdichter 23 und die zweite Niederdruckturbine 41 auf einer gemeinsamen Welle 51 so angebracht, daß die Druckluft, die quer über die Turbine 41 expandiert wird, den Niederdruckverdichter 23 antreibt. Außerdem befindet sich eines der Gebläse 20, das zum Ausstoßen von erwärmter Staudruckluft von der Anlage 10 wirksam ist, auch auf der Welle 51 und wird somit durch die expandierende Druckluft angetrieben.
Die erste Hochdruck-Expansionsturbine 34 befindet sich auf einer Welle 50, auf der der Hochdruckverdichter 25 und das andere Gebläse 19 so angebracht sind, daß der Hochdruckverdichter 25 und das Gebläse 19 durch die Druckluft, die quer über die erste Turbine 34 expandiert wird, angetrieben werden.
Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß im Verdichterabschnitt der Anlage 10 ein durch ein Ventil gesteuerter Bypass 53 vom Kanal 22, am ersten Verdichter 23 vorbei und zum Kanal 24 zwischen dem Niederdruckverdichter 23 und dem Hochdruckverdichter 25 verläuft, und ein weiterer durch ein Ventil gesteuerter Bypass 54 vom Kanal 24 zum Kanal 27, am Hochdruckverdichter 25 vorbei so verläuft, daß der Hochdruckverdichter 25 wie vom Ventil ermöglicht, umgangen werden kann. Außerdem befindet sich hier ein durch ein Ventil gesteuerter Bypass 55, der vom Kanal 27 zum Kanal 29 und am Sekundär-Wärmeaustauscher 18 vorbei verläuft.
Im Kühlabschnitt der Anlage 10 befindet sich ein durch ein Ventil gesteuerter Bypass 56 vom Kanal 32, an der ersten Hochdruckturbine 34 vorbei bis zum Auslaß der Turbine 34, ein durch ein Ventil gesteuerter Bypass 57 vom Kanal 29, vom Sekundär-Wärmeaustauscher 18 bis zum Austrittskanal 35, an der ersten Hochdruckturbine 34 vorbei, und ein durch ein Ventil gesteuerter Bypass 58 vom Kanal 140, an der zweiten Expansionsturbine 41 vorbei, zum Kaltluftkanal 42 von der zweiten Expansionsturbine 41.
Die Ventile der Bypässe 53, 54, 55, 56, 57, 58 können durch eine Systemsteuerung (nicht in 1 enthalten) betrieben werden, um die Anlage 10 unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen auszugleichen, und um sicherzustellen, daß die kalte Luft, die in den Mischkasten 43 eintritt, die gewünschte Temperatur und den gewünschten Druck hat. Die Ventile im Bypass 53, 54 können, falls gewünscht, einfache Rückflußsperren sein.
Es ist verständlich, daß die Temperatur in einem Flugzeug, das sich auf dem Boden befindet, besonders in einem heißen Klima stark ansteigen kann, wie z. B. bis auf 55°C. Herkömmlich wurde beim Starten der Anlage 10 so eine heiße Kabinenluft einfach erneut zirkuliert, bis die Luft durch Vermischen mit kalter Luft im Mischkasten 43 auf die gewünschte Temperatur für die Kabine 44, 45 abgekühlt ist. Somit geht die Hitze der Kabinenluft von der Anlage 10 verloren. Ein Teil der Luft in der Kabine 44, 45 könnte in die Umgebungsluft ausgestoßen werden, wie durch den Auslaß 47 gezeigt, so daß ein Bestandteil der Kabinenluft durch die Luft von der Klimaanlage 10 erneuert wird.
Die Anlage 10 bietet ein Mittel zur Rückgewinnung der Wärmeenergie von der heißen Kabinenluft.
Die Kabinenluft wird erneut von der Kabine 44, 45 mit Hilfe des Gebläses 60 zirkuliert, und die heiße Kabinenluft läuft über den Kanal 62 zum Belastungswärmeaustauscher 38, durch den die Mitteldruckluft von der ersten Expansionsturbine 34 läuft. Somit wird die Wärme von der heißen Kabinenumluft zum Erwärmen der abgekühlten Mitteldruckluft verwendet, bevor sie zur zweiten Expansionsturbine 41 geleitet wird.
Nach dem Belastungswärmeaustauscher 38 läuft die Kabinenumluft durch den Wärmeaustauscher 130 des Kondensators, in dem sie die warme Druckluft abkühlt, die am Kanal 29 entlang verläuft. Nachdem sie durch den Belastungswärmeaustauscher 38 gelaufen ist, ist die Kabinenumluft ausreichend abgekühlt, um Wärme mit der warmen Druckluft vom Kanal 29 effektiv auszutauschen und eine Kondensation und Abscheidung des oder einem beträchtlichen Anteil ihres Wassergehalts zu bewirken (ein weiteres Entfernen von Wasser erfolgt durch den Wasserabscheider 31, soweit vorhanden).
Von der warmen Druckluft durch den Wärmeaustauscher 130 des Kondensators (und den Wasserabscheider 31, soweit vorhanden) abgeschiedenes Wasser wird durch eine Leitung 131 an ein Spray 132 im Kanal von dem Staudrucklufteintritt 11, der den Wärmeaustauschern 16, 18 vorgeschaltet ist, geleitet. Das hat zur Folge, daß die Kühlwirkung der Wärmeaustauscher 16, 18 durch Verdunstung des Wassers auf seinen Oberflächen erhöht wird.
2 enthält eine Modifikation des Kühlabschnitts der Anlage 10, in dem mit den oben angegebenen Komponenten korrespondierende Komponenten durch dieselben Referenzen gekennzeichnet werden. Bestimmte Teile, das heißt der Wasserabscheider 31 und die Bypässe 56, 57, 58 wurden zum Zweck der Vereinfachung von der 2 weggelassen, aber man wird erkennen, daß sie vorhanden sein könnten.
In 2 wurden die Kanäle 62, 66, durch die die Kabinenumluft wieder an den Mischkasten 43 geleitet wird, anders angeordnet, damit die Umluft zuerst durch den Wärmeaustauscher 130 des Kondensators und dann durch den Belastungswärmeaustauscher 38 läuft. Obwohl die Kabinenumluft warm sein wird, ist sie bedeutend kühler als die Druckluft, die den Kühlabschnitt der Anlage vom Kanal 29 erreicht, und sie reduziert die Temperatur der warmen Druckluft somit, um die Wasserabscheidung davon zu fördern. Dabei wird die Temperatur der Kabinenumluft erhöht, und ihr erhöhter Energiegehalt kann dann im Belastungswärmeaustauscher 38 zur Luft übertragen werden, die von der Hochdruckturbine 34 zur Niederdruckturbine 41 so verläuft, daß die Energie in der letzteren wiedergewonnen werden kann.
Die zusätzliche Zeichnung (2a von 2) enthält eine Modifikation, wobei die Ventile 135, 136, 137 in den Kanälen 62, 66 zusammen mit den Bypass-Kanälen 138, 139 bereitgestellt werden können, die so betrieben werden können, daß die Kabinenumluft wie gewünscht zuerst an den Wärmeaustauscher 130 des Kondensators (und anschließend an den Belastungswärmeaustauscher 38 oder an den Belastungswärmeaustauscher 38 (und anschließend an den Wärmeaustauscher 130 des Kondensators geleitet werden kann. Eine Steuerung zur Steuerung des Betriebs der Ventile 135–137 wird bei 141 gezeigt.

Claims

Klimaanlage (10) für Flugzeuge, in denen die Kabinenluft in Umlauf gebracht und mit kalter Luft von einer Klimaanlage vermischt wird, die eine erste und eine zweite Expansionsturbine (34, 41) enthält, über denen die Druckluft expandiert und abgekühlt wird, wobei die Anlage außerdem einen Belastungswärmeaustauscher (38) enthält, in dem die Kabinenumluft durch Wärmeaustausch mit der Druckluft von der ersten Expansionsturbine (34) abgekühlt wird, bevor die Druckluft von der zweiten Expansionsturbine (41) expandiert wird, und worin sich ein Wärmeaustauscher (130) des Kondensators befindet, in dem die besagte Kabinenluft durch Wärmeaustausch mit der Druckluft erhitzt wird, um sie abzukühlen und das Entfernen von Wasser davon zu unterstützen, bevor sie von der ersten Expansionsturbine (41) expandiert wird.
Anlage nach Anspruch 1, wobei die Kabinenumluft durch den Wärmeaustauscher (130) des Kondensators geleitet wird, nachdem sie durch den Belastungswärmeaustauscher (38) gelaufen ist.
Anlage nach Anspruch 1, wobei die Kabinenumluft durch den Wärmeaustauscher (130) des Kondensators geleitet wird, bevor sie durch den Belastungswärmeaustauscher (38) läuft.
Anlage nach Anspruch 1, die wahlweise nach Anspruch 2 oder Anspruch 3 betreibbar ist.
Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Wasser, das von der Druckluft im Wärmeaustauscher (130) des Kondensators entfernt wurde, zur Unterstützung der Kühlung der vom Triebwerk abgezapften Luft, die an die Anlage (10) geleitet wird, verwendet wird.
Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage (10) in einem Flugzeug einer Art, bei der die Kabinenluft im Umlauf gebracht und mit kalter Luft von einer Klimaanlage gemischt wird, die eine erste und eine zweite Expansionsturbine (34, 41) enthält, über denen warme Druckluft expandiert und abgekühlt wird, und wobei die Anlage (10) einen Belastungswärmeaustauscher (38) enthält, in dem die Kabinenumluft durch Wärmeaustausch mit der Druckluft von der ersten Expansionsturbine abgekühlt wird, bevor die Druckluft von der zweiten Expansionsturbine (41) expandiert wird, wobei das Verfahren Erhitzen der besagten Kabinenumluft durch Wärmeaustausch mit der Druckluft in einem Wärmeaustauscher (130) des Kondensators beinhaltet, bevor die Druckluft von der ersten Expansionsturbine (34) expandiert wird, um sie abzukühlen und das Entfernen von Wasser von der Druckluft zu unterstützen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Kabinenumluft im Wärmeaustauscher (130) des Kondensators erhitzt wird, nachdem die besagte Kabinenluft durch den Belastungswärmeaustauscher (38) gelaufen ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Kabinenumluft im Wärmeaustauscher (130) des Kondensators erhitzt wird, bevor die besagte Kabinenluft durch den Belastungswärmeaustauscher (38) gelaufen ist.