SE457826B - Luftkonditioneringssystem anslutet till en tryckluftskaella - Google Patents

Description

457 -fl i 826 2 Det torde således vara uppenbart att för optimal verkningsgrad i temperatur~ och tryckreglering av en första belastning som kräver kontinuerlig tillförsel av frisk luft och av en andra belastning vars temperatur kan regleras av recirkulerad luft kan det vara önskvärt att arbeta med två individuella luftkonditioneringssystem av luftcykeltyp.

Då man emellertid i praktiken skall utföra en dylik dubbelsystemreglering av temperatur och tryck kan eventuella fördelar som erhålls när man kyler den andra belastningen med recírkulerad luft mer än upphävas av kostnaden och det erforderliga utrymmet för tvâ skilda luftkonditioneringssystem.

Det kan således i första ögonblicket förefalla som om användningen av ett enda luftkonditioneringssystem av luftcykeltyp med öppen slinga enligt känd teknik och med tillräcklig kapacitet för att ta hand om båda belastningarna skulle vara ett effektivt sätt att hantera de skilda temperatur-och tryckregleringskraven som sammanhänger med dylika belastningar. I själva verket skulle ett enda system inbegripa mindre redundans och därför sannolikt bli mindre komplicerat än två system. Ett sådant,enda system skulle emellertid vid en godtycklig given tidpunkt mera sannolikt än inte förbruka mera driveffekt än ett dubbelt system.

Ett enda system med öppen slinga skulle behöva arbeta vid utgångsnivåer tillräckligt höga för att ta hand om de strängaste uppvärmnings- och kylningskraven hos den ena eller andra belastningen oavsett om en sådan utmatning från systemet behövs eller inte. Med ett dubbelt system kan utmatningen och således kravet på inmatad effekt hos varje system skräddarsys med tanke på den respektive belastningen.

Uppfinning har således bland sina ändamål att åstadkomma ett förbättrat luftkonditioneringssystem av luftcykeltyp i stånd att effektivt reglera temperaturen och trycket hos ett par skilda belastningar, av vilka den ena kräver kontinuerlig tillförsel av frisk luft och den andra kan upphettas eller kylas av recirkulerad luft. 5 457 826 3 Det nämnda ändamålet och andra ändamål kommer att bli mera uppenbara ur den nu följande detaljbeskrivningen i anslutning till bifogade patentkrav och de åtföljande ritningarna. De uppställda målen nås medelst ett luftkonditioneringssystem av den inledningsvis nämnda typen och utmärks av att en andra turbin är anordnad i nämnda slutna slingdel mellan kompressorerna och nämnda anordning, vilken andra turbin är driven av och expanderar samt kyler därtill förd luft från nämnda kompressorer och är ansluten till nämnda kompressorer för att tillhandahålla ingângskraft till dessa, och att den andra slingdelen är en sluten slingdel för kontinuerlig recirkulation av väsentligen all luft matad till nämnda anordning genom nämnda kompressorer och nämnda andra turbin, varvid nämnda slutna slingdel har en förbindelse med nämnda inloppskanal och en styrventil för inloppet är anordnad i nämnda förbindelse för att reglera fluidumförbindelse mellan nämnda inloppskanal och nämnda slutna slingdel.

Uppfinningen kommer att beskrivas i detalj i det följande under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka fig. 1 är en schematisk representation av en föredragen utföringsform av luftkonditioneringssystem av luftcykeltyp enligt uppfinningen och fig. 2 är en schematisk representation av ett styr- eller reglersystem som utgör ett typiskt exempel på systemet som används för att reglera luftkonditioneringssystemet enligt föreliggande uppfinning.

Det i fig. 1 visade luftkonditioneringssystemet av luftcykeltyp är markerat generellt med 10 och har en första del 12 med öppen slinga, vilken del uppvärmer eller kyler och trycksätter en första belastning 14, såsom kabinen hos ett kommersiellt flygplan eller ett militärflygplan, jämte en andra del 16 med sluten slinga, vilken upphettar eller kyler en andra belastning 20 som inkluderar ett utrymme 25, såsom ett utrymme för elektrisk utrustning, vars temperatur kan regleras medelst en förhållande- 457 826 4 vis konstant tillförsel av lämpligt kylmedium som recirkuleras därigenom.

Luft för att upprätthålla en lämplig matning av kylluft och för att driva luftkonditioneringssystemet 10 inträder i sy- ppskanalen 30 från en såsom kompressordelen (inte visad) i en gasturbin- motor. Kanalen 30 har primär- och 40 anordnade däri, stemet genom den vänstra änden av huvudinlo lämplig källa, resp. sekundärvärmeväxlare 35 varvid luften kyls i dessa värmeväxlare medelst ett flöde av ett godtyckligt lämpligt kylmedel, såsom om- givande luft. En del av luften kanaliseras genom ledningen 45 och en av ett manöverdon 55 inställbar förbikopplingsventil 50 för turbinen med öppen slinga till kabininloppskanalen 60. Återstoden av den tillförda luften kanaliseras genom en turbininloppskanal 65, i vilken en regenerativ värmeväxlare 70 är anbragt, och sedan genom en turbin 75 till kabininloppskanalen 60. försedd med ett inlopp 80 med variabel area och som inkluderar ett flertal rörliga skovlar 85 s därtill kopplat manöverdon 92 Turbinen 75 är kan vara av typen om inställs av ett . Efter hand som tryckluften rör sig genom turbinen 75 utför den arbete på turbinen och vrider därvid turbinrotorn samt expanderar, varigenom temperaturen och trycket hos luften sänks i betydande grad.

En del av kylluften som utblåses från turbinen 75 blandas med den okylda luften som kanaliseras till ledningen 60 medelst ledningen 45, varvid blandningen strömmar genom en vattensepara- tor 80 i vilken luftflödet torkas och sedan kanaliseras i kabinen 14. Gammal luft utblåses kontinuerligt överbord från kab inen 14 genom kabinens tryckregleringsutloppsventil 85 och ersätts med frisk luft som kontinuerligt matas till kabinen genom kanalen 60. Ãterstoden av luften som utblåses från turbinen 75 kanaliseras genom ledningen 90 och passerar därvid genom styrventilen 95 och den regenerativa värmeväxlaren 70 där luften absorberar värme från luften som tillförs till turbinen 75 genom ledningen 65 för ökad kylpotential vid utgången från turbinen 75. Ventilen 95, som styr luftflödet genom ledningen 90, är mekaniskt förbunden med ventilen 50 och drivs i serie med denna medelst manöverdonet 55.

Sedan luften i ledningen 90 har passerat genom den regenerativa värmeväxlaren utblåses den överbord.

Upphettning, kylning och trycksättning av kabinen lü kan regleras genom att man styr flödet av expanderad och kyld luft 4\57 826 5 genom turbinen 75 och relativt sett varmare, okyld luft genom kanalen 45. I en situation då maximal kabinuppvärmning krävs, så- som då flygplanet befinner sig på hög höjd, stängs turbinens 95 inloppsmunstycke 80 medelst manöverdonet 92. Manöverdonet 55 stänger i sin tur ventilen 70 för att reducera och sedan stoppa J flödet av kyld luft genom den regenerativa värmeväxlaren och öpp- nar successivt sedan ventilen 50 till dennas maximala strömnings- area så att mängden varm luft som kanaliseras till kabinen från tillförselledningen 30 blir maximal. I det fallet att kabinen skall kylas inställer manöverdonot 92 styrskovlarna 85 i inlopps- munstycket 80 så att mängden luft som släpps in i turbinen 55 ökas, varigenom det utblåsta flödet av sval luft från turbinen ökas. Manöverdonet 55 stänger därefter ventilen 50 för att upp- häva flödet av okyld, tillförd luft till turbinens utblåsnings- ledning 60 och öppnar sedan ventilen 95 för ökad förkylning av turbininloppsluften i den regenerativa värmeväxlaren 70, varige- nom kylningen som kabinen får genom kanalen 60 ökas ytterligare.

Det skall framhållas att tillräckligt mycket under tryck stående luft måste matas till luftkonditioneringssystemet 10 för att uppfylla uppvärmnings- och kylningskraven hos både kabinen lü och utrymmet 25. Man ser lätt att man inte ytterligare kan utnytt- ja energin som förblir kvar i kylluften som utblåses överbord från kabinen. Mängden kylluft som utblåses överbord bör således hållas låg. I fallet då den ena av belastníngarna omfattar ut- rustning som kan kylas genom en recirkulering av en mängd kylluft i en sluten slinga utförs luftkonditionering av en sådan belast- ning effektivt i systemet 10 genom att man i delen 16 med sluten slinga utnyttjar rörelseenergin som bibringas rotorn i turbinen 75 med öppen slinga medelst luftströmning genom nämnda organ. För den skull är turbinens 75 rotor förbunden med rotorn hos en komp- ressor 100 med sluten slinga medelst en axel 105, varvid turbin- rotorns rotation driver kompressorrotorn för förkomprimering av luft som strömmar genom kanalen ll0. Denna kanal förses med luft från källan genom inloppsstyrventilen 115 i kanalen 30. Ström- ningsarean hos ventilen ll5 inställs av manöverdonet 120 som öpp- nar ventilen när tillförseln av kylluft som-cirkulerar i syste- mets del med sluten slinga behöver förnyas, exempelvis beroende på långsam läckning däri. .pp 457 826 6 Tryckluft utblåses från kompressorn 100 till kompressorn , i vilken trycket hos luften ökas ytterligare, varvid kompres- en värmeväxlare 140 med värmestrålning. där luften kyls genom absorbering av värme därur medelst ett g odtyckligt lämpligt kyl- medel, såsom omgivningsluft. Från värmeväxlaren 140 med strål- delen hos en regenerativ värmeväxlare 150, ytterligare genom att värme absorberas däru binutblåsningsluft som kanaliseras till en meväxlaren 150 genom ledningen 155. Från hö växlaren 150 kanaliseras tryckluften till e i vilken luften kyls r medelst kyld tur- lågtrycksdel i vär- gtrycksdelen i värme- xpansionsturbinen 130 med sluten slinga genom ledningen 160, varvid en del av luf- ten förbikopplas turbinen 130 genom ledning donet 175. ningen 165 passerar genom denna turbin, densamma, 125. expanderas och kyls i samt driver turbinrotorn för drivning av kompressorn Den kylda luften från turbinen 130 kanaliseras till be- lastningen 20 genom utblåsningsledningen 180. fattar belastningen 20 en belastningsvärmeväxl ningsutrymmet 25 och en däremellan anordnad ci 190 för värmeväxlarmedium, riktning upprätthålls av Såsom är visat om- are 185, utrust- rkulationsslinga varvid vätskecirkulationen i pilarnas en pump 195 som är anbragt i slingan.

Turbinutblåsníngsluft som kanaliseras till värmeväxlaren 185 ky- ler vätskan som cirkulerar i slingan 190, vilken vätska därefter pumpas till utrustningen 25 och absorberar värme därur samt pum- pas tillbaka till värmeväxlaren 185 för ytterligare kylning. Från värmeväxlaren 185 kanaliseras den nu något uppvärmda turbinut- blåsningsluften till den regenerativa värmeväxlaren 150 genom ka- nalen 155 för att förkyla inloppsluften til slinga. Om mindre kylning eller uppvärmning erfordras öppnar manöverdonet 175 förbikoppl varvid turbinen 130 l turbinen med sluten av utrustningen 25 ingsventilen 170. förbikopplas med luft som utmatas från komp- ressorn 125 genom ledningarna 137, 145 och 160, vilken förbíkopp- 457. 826 7 lingsluft sedan kanaliseras till belastningsvärmeväxlaren 185 ge- nom turbinutblâsningsledningen 180.

Luftkonditioneringssystemet 10 kan styras eller regleras medelst ett godtyckligt lämpligt styrsystem, såsom datorer av analogtyp eller digitaltyp för allmänna syften eller speciella syften. Såsom ett exempel är en representativ styrkrets visad i fig. 2, där en signal TUTRUsTN_ BEGÃRT, som anger temperaturen (i regel en konstant) som skall upprätthållas i utrustningsutrymmet 25, matas genom ledningen 200 till en första summeringsförbind- ningspunkt eller differenskrets 205. En signal TUTRUSTN_ VERKLIG matas genom ledningen 210 till en summeringsförbindningspunkt 105 från en lämplig omvandlare, såsom ett termoelement 215, som är anbragt i utrymmet 25. Förbindningspunkten 205 tar skillnaden mellan dessa båda signaler och matar in skillnaden såsom en ut- rustningstemperaturfelsignal (TUTRuSTN_ FEL) genom ledningen 220 till analogfunktionsgeneratorn eller digitaldatainlåsningsminnet 225. Minnet 225 avger en utgångssignal som är indikativ för an- tingen en inreglerad inställning i munstycksområdet i turbinen 75 med öppen slinga eller strömningsområdet i förbikopplingsventilen l70 med sluten slinga såsom gensvar på utrustningstemperaturfe1- signalen.

Såsom är angivet i fig. 2 kommer. om felsignalen svarar mot att utrustningen är alltför varm, utgångssignalen från minnet 225 först att ange stängning av förbikopplingsventilen 170 och sedan öppning av turbininloppsmunstycket 80. Likaså gäller att om felsignalen svarar mot att temperaturen hos utrustningen är allt- för låg kommer utgångssignalen från minnet 225 först att svara mot stängning av turbininloppsmunstycket 80 och sedan öppning av förbikopplingsventilen l70. Om utgångssignalen från minnet 225 svarar mot en inreglering av förbikopplingsventilarean matas den- na utgångssignal till manöverdonet 175 genom ledningen 230, var- vid manöverdonet inreglerar arean hos ventilen 170 så att felet mellan den verkliga temperaturen i utrustningsutrymmet 25 och den önskade temperaturen i nämnda utrustningsutrymme blir så liten som möjligt. Om utgângssignalen från minnet 225 svarar mot en signal som anger inreglering av strömningsarean eller flödes- arean hos turbininloppsmunstycket 80 matas denna utgångssignal genom ledningen 235 till kretsen 240 för maximival. 457 826 B En annan ingångssignal matas till densamma och till kret- sen 240 för maximival genom ledningen 245 och innefattar en ut- gångssignal från funktionsgeneratorn eller minnet 250 indikativ för turbinmunstycksarean som erfordras för att man skall uppnå den luftström genom kabinen som behövs för att en önskad tempera- tur hos denna skall upprätthållas. För att hindra överhettning av såväl kabinen som utrustningen utväljer kretsen 240 för maximival ingångssignalen med den största storleken och vidarebefordrar denna signal till manöverdonet 92 s inloppsmunstycket 80 i enlighet med fredsställa de mest omfattande krave utrustningens kylning. om inställer arean hos turbin- nämnda signal för att till- n då det gäller kabinens och Utgångsfunktionsgeneratorn (minnet) 250 är indikatív för kabinluftströmmen som erfordras för att en önsk ad kabintemperatur. skall upprätthållas.

Ingångssignalen till minnet 250 genom led- ningen 255 är en signal som anger ett fel mellan den verkliga ka- binluftströmmen och kabinluftströmmen som erfordras för att en önskad temperatur skall erhållas i kabinen. Denna signal repre- senterar skillnaden som erhålls i summeringsförbindningspunkten 260 mellan en signal WBEGÃRT (erforderlig luftström) som tillförs genom ledningen 265 från funktionsgeneratorn 270 och en signal WVERKLIG (verklig luftström) inmatad genom ledningen 275 från en omvandlare såsom en strömningsmätare 280 vid kabininloppet.

Förutom en signal som är indikativ för den erforderliga luftströmmen till kabinen från turbinen 50 avger minnet 270 en utgångssignal på ledningen 285 till manöverdonet 55 för att ange inställningen av förbikopplingsventilen 50 som erfordras för att en önskad kabintemperatur skall erhållas. Ingångssignalen till ingen 290. Denna in- mmeringsförbindnings- punkten 290 och representerar skillnaden mellan en signal minnet 270 är signalen TKABIN FEL via ledn gångssignal utgör utgångssignalen från su TKABIN VERKLIG, som anger verklig kabintemperatur och som erhålls av termoelelentet 295 i kabinen lh via ledningen 300, och en Sišflal TKABIN BEGÄRT, som anger önskad kabintemperatur och som matas till förbindningspunkten 290 via ledningen 305. Om felsig- nalen svarar mot att kabinen är alltför varm, såsom är visat i figuren, svarar utgångssignalen från minnet 270 först mot att förbikopplingsventilen 50 förblir helt öppen under det att kabin- strömningskravet minskas, varefter ventilarean ökar medan kabin- 457 826 9 strömningskravet förblir konstant och slutligen kabinströmnings- kravet ökar medan förbikopplingsventilen hålls stängd. Om på lik- artat sätt felsignalen svarar mot att kabinen är alltför sval svarar utgângssignalerna från minnet 270 först mot att förbikopp- lingsventilen förblir stängd under det att kabinströmningskravet minskas till ett konstant värde. vid vilken punkt utgångssigna- lerna svarar mot en avtagande förbikopplingsventilarea vid ett konstant kabinströmningskrav och sedan ett ökande kabinströmnings- krav då förbikopplingsventilen förblir helt öppen.

Av det ovanstående ser man att en önskad kabintemperatur upprätthålls genom reglering av luftströmmen till kabinen. Sådan luftströmreglering utförs genom att man reglerar arean hos turbi- nens 75 inloppsmunstycke ävensom strömningen av okyld luft till kabinen genom förbikopplingsventilen SO. På likartat sätt upp- rätthålls den önskade utrustningstemperaturen genom att man reg- lerar strömningen av okyld luft som tillförs nämnda temperatur genom förbikopplingsventilen 170 ävensom den totala luftström- ningen som cirkuleras genom systemets del med sluten slinga me- delst kompressorn 100. Styrning av kompressorn 100 erhålls genom att man reglerar ingângseffekten till densamma genom reglering av luftströmningen genom turbinen 75 med öppen slinga, vilken turbin driver kompressorn.

Man ser således att det enligt uppfinningen angivna luft- konditioneringssystemet av luftcykeltyp möjliggör kylning och trycksättning av olika belastningar med maximal verkningsgrad och minsta möjliga konstruktiva organ. Förbindningen mellan rotorerna i turbinen 85 och kompressorn 80 gör det i princip möjligt för turbinen 75 att kyla båda belastningarna, nämligen kabinbelast- ningen genom att tillföra frisk luft till kabinen och utrustníngs- belastningen genom att driva kompressorn 100 och därigenom komp- ressorn 125 och turbinen 130- Ehuru en enda utföringsform av uppfinningen har visats torde det stå klart att skilda modifikationer kan framträda för fackmannen på grundval av den givna beskrivningen. Ehuru ett par seriekopplade kompressorer har använts för uppvärmning och kyl- ning av utrustningsbelastningen torde det exempelvis vara klart att en enda kompressor driven av båda turbinerna 75 och 130 på en enda axel skulle kunna användas inom uppfinningens ram. På lik- artat sätt gäller att ehuru kylning av båda belastningarna sker medelst regenerativ värmeväxling i det beskrivna fallet skulle uppvärmning och kylning av belastningen i andra fall kunna utfö- , i syfte att uppnå varvid ifrågavarande regenerativa värme- m uppfinningens ram. Avsikten är såle- ras utan en sådan regenerativ värmeväxling ekonomi i konstruktionen, växling kan elimineras ino des att de nu följande pat kationerna och eventuella andra modifikationer som faller inom uppfinningens sanna anda och omfattning.

Claims (5)

f? 457 826 11 PATENTKRAV

1. Luftkonditioneringssystem innefattande en luftinloppskanal (30) ansluten till en tryckluftkälla, en första slingdel (12) för att kontinuerligt tillföra under tryck stående frisk luft från nämnda inloppskanal (30) till ett utrymme (1H) som kräver upprätthållande av temperaturen och trycket hos detsamma samt för efterföljande utmatning därifrån, varvid nämnda öppna slingdel (12) innefattar en första turbin (75) med ett inlopp och ett utlopp och anordnad att förbindas med samt att drivas av tryckluftkällan, vilken första turbin (75) expanderar och kyler nämnda tryckluft och utmatar nämnda expanderade och kylda luft till nämnda utrymme (IM), och en första kanal (65) som åstadkommer förbindelse mellan inloppet hos nämnda första turbin (75) och nämnda inloppskanal (30), en andra slingdel (16) för att bringa kyld luft att recirkulera genom en anordning (20) för att reglera temperaturen i ett utrustningsutrymme (25), varvid nämnda andra slingdel (16) innefattar kompressorer (100, 125) med ett inlopp och ett utlopp och anslutna till samt drivna av nämnda första turbin (75) och anordnade för trycksättning av därigenom cirkulerad luft, andra luftkanaler (137, 145, 160, 180) som bildar förbindelse mellan utloppet från nämnda kompressorer och ett inlopp till nämnda anordning (20), och tredje luftkanaler (155, 110) som bildar förbindelse mellan ett utlopp från nämnda anordning (20) och inloppet till nämnda kompressorer (100, 125), k ä n n e- därav, att en andra turbin (130) är anordnad i nämnda slutna slingdel mellan kompressorerna (100, 125) och t e c k n a t nämnda anordning (20), vilken andra turbin (130) är driven av och expanderar samt kyler därtill förd luft från nämnda kompres- sorer (100, 125) och är ansluten till nämnda kompressorer för att tillhandahålla ingångskraft till dessa, och att den andra slingdelen är en sluten slingdel för kontinuerlig recirkulation av väsentligen all luft matad till nämnda anordning (20) genom nämnda kompressorer (100, 125) och nämnda andra turbin (130), varvid nämnda slutna slingdel har en förbindelse med nämnda inloppskanal (30) och en styrventil (115) för inloppet är anordnad i nämnda förbindelse för att reglera fluidumförbindelse mellan nämnda inloppskanal (30) och nämnda slutna slingdel. 457 826 12

2. Luftkondítioneringssystem enliet krav 1, k ä n n e- t e c k n a t därav, att kompressorerna innefattar en första kompressor (100) driven av den första turbinen (75) och en andra kompressor (125) driven av den andra turbinen (130).

3. Luftkonditioneringssystem enligt krav 1, k ä n n e- t e c k n a t därav, att kompressorerna innefattar en enda kompressor driven av de första och andra turbinerna (75, 130).

4. M. Luftkonditioneringssystem enligt någon av kraven 1 nu 3, k ä n n e f; e' e k n a 1: därav, an; nämnda första turbin (75) är försedd med ett inlopp (80) med variabel area, nämnda inlopp är regelbart såsom gensvar på det kylkraven hos nämnda belastning resp. varvid största av anordning (1ß, 20).

5. Luftkonditioneringssystem enligt något av kraven 1 till 4, k ä n n e t e c k n a t av fjärde luftkanaler (165) som bildar fluidumförbindelse mellan nämnda andra luftkanaler (16) och utloppet från den andra turbinen (130) luftkanaler (165) inkluderar en andra turb (170) däri och strömningsarean hos nämnda , varvid nämnda fjärde införbikopplingsventil andra turbinförbikopplingsventil (170) och således mängden okyld kompressorluft från nämnda kompressorer (100, 125) som kanaliseras genom nämnda andra förbikopplingsventil (170) till utloppet från nämnda andra turbin (130) är reglerbar såsom gensvar på uppvärmningskravet hos nämnda anordning (20).