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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine Klimaanlage und insbesondere auf
eine Klimaanlage für ein
Flugzeug.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung stellen wir eine Klimaanlage für ein Flugzeug nach
Anspruch 1 bereit.
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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.
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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.
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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.
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Die
Anlage kann wahlweise in einem der beiden obengenannten Modi betrieben
werden.
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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.
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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.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung stellen wir ein Verfahren zum Betreiben
der Klimaanlage bereit, wie in Anspruch 6 beansprucht.
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Es
werden nun Ausführungsformen
der Erfindung mit Hilfe von Beispielen und unter Hinweis auf die
beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei
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1 ein
illustratives Schaubild einer Klimaanlage gemäß der Erfindung ist;
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2 ein
illustratives Schaubild einer modifizierten Version der Klimaanlage
ist;
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2a eine
Modifikation der Anlage von 2 zeigt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Anlage 10 bietet ein Mittel zur Rückgewinnung der Wärmeenergie
von der heißen
Kabinenluft.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.