ES2293345T3 - Ciclo de aire acondicionado con cambiador de calor adaptativo de presion dinamica. - Google Patents
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Abstract
Un equipo (10) de aire acondicionado para una aeronave que comprende: intercambiadores (24, 26) de calor primario y secundario; un tercer intercambiador (28) de calor conectado de manera fluida a dichos intercambiadores (24, 26) de calor primario y secundario; y un sistema (20) de válvulas que conecta fluidamente, de manera selectiva, dicho tercer intercambiador (28) de calor con al menos uno de los citados intercambiadores (24, 26) de calor primario y secundario en respuesta a una orden procedente de un controlador (23), conectando fluidamente dicho sistema (20) de válvulas los citados intercambiadores (28, 24) de calor tercero y primario para proporcionar una primera capacidad de refrigeración, y conectando fluidamente dicho sistema (20) de válvulas los citados intercambiadores (28, 26) de calor tercero y secundario para proporcionar una segunda capacidad de refrigeración diferente de dicha primera capacidad de refrigeración.
Description
Ciclo de aire acondicionado con cambiador de
calor adaptativo de presión dinámica.
Este invento se refiere a una configuración de
intercambiador de calor para un equipo de aire acondicionado de un
sistema de aire acondicionado para aeronaves.
Los equipos de los sistemas de aire
acondicionado para aeronaves tienen intercambiadores de calor
refrigerados por aire de impacto que proporcionan los sumideros de
calor para el flujo de aire que está siendo enfriado antes de ser
suministrado a la cabina de la aeronave. Un equipo típico tiene un
intercambiador de calor primario que elimina el calor generado al
comprimir el aire ambiente hasta la presión de admisión requerida
para el equipo. El equipo incluye también un intercambiador de
calor secundario que elimina el calor generado por el compresor de
la máquina de ciclo de aire (ACM).
Cada intercambiador de calor está dimensionado
para las condiciones del caso más desfavorable, las cuales no son
aplicables durante la mayor parte del funcionamiento del equipo de
aire acondicionado. Por ejemplo, el intercambiador de calor
primario está dimensionado para una condición de gran
altitud/crucero, y el intercambiador de calor secundario está
dimensionado para un funcionamiento en día cálido/tierra. El
dimensionamiento del intercambiador de calor para estas condiciones
del caso más desfavorable da como resultado intercambiadores de
calor mucho más grandes de lo que es necesario para la mayoría de
las condiciones de funcionamiento del equipo. Como resultado de
esto, la configuración global del intercambiador de calor es
ineficiente en cuanto a que ocupa más espacio y proporciona más
peso de lo que es necesario.
El documento
US-A-6 295 822 explica un equipo de
aire acondicionado para una aeronave que comprende intercambiadores
de calor primario y secundario conectados en serie, y un tercer
intercambiador de calor con forma de recalentador. Cuando se
necesita una gran capacidad de refrigeración, se conecta el
recalentador fluidamente a dicho intercambiador de calor secundario
mediante un sistema de válvulas. Cuando se necesita una capacidad de
refrigeración pequeña, se configura el sistema de válvulas de tal
manera que quede puenteado el tercer intercambiador de calor.
Por lo tanto, lo que se necesita es una
configuración de intercambiador de calor mejorada para un equipo de
sistema de aire acondicionado para aeronaves.
El presente invento proporciona un equipo de
aire acondicionado para una aeronave de acuerdo con la
reivindicación 1. En las reivindicaciones dependientes se definen
realizaciones preferentes.
El tamaño global o combinado de los
intercambiadores de calor primario, secundario y tercero es menor
que el de los intercambiadores de calor primario y secundario
típicos de la técnica anterior. Se utiliza una combinación de
intercambiadores de calor para proporcionar refrigeración durante
los escenarios del caso más desfavorable permitiendo un uso
eficiente de la configuración del intercambiador de calor global
para proporcionar la capacidad de refrigeración deseada.
Estas y otras características del presente
invento pueden entenderse mejor a partir de la memoria y los dibujos
siguientes, de los cuales lo siguiente es una breve
descripción.
La figura 1 es una vista esquemática del equipo
de aire acondicionado del invento.
La figura 2 es una vista esquemática del equipo
de aire acondicionado del invento durante una condición de día
cálido/tierra.
La figura 3 es una vista esquemática del equipo
de aire acondicionado del invento durante una condición de gran
altitud/crucero.
En la figura 1 se muestra de forma esquemática
un ejemplo del equipo 10 de aire acondicionado del invento. El
equipo 10 produce aire acondicionado que es suministrado a un
sistema 12 de distribución que envía el aire a la cabina de una
aeronave. Un turbocompresor 14 proporciona aire comprimido a una
presión que es la deseada por la admisión del equipo. El
turbocompresor 14 se utiliza como una alternativa para extraer aire
de los motores primarios de la aeronave para proporcionar un
funcionamiento más eficiente de la aeronave.
\newpage
El equipo 10 incluye una tubería 15 de aire de
impacto que proporciona flujo de aire a través de los
intercambiadores 16 de calor, los cuales proporcionan el sumidero
de calor para el aire mientras éste es acondicionado en el interior
del equipo 10. Un ventilador 17 desplaza el aire a través de la
tubería 15. Una ACM 18 comprime y expande el aire que fluye a
través de las tuberías de fluido para producir aire acondicionado.
La ACM 18 es una máquina de tres ejes que incluye un compresor 44 y
turbinas primera 46 y segunda 48. La ACM es de un tipo
convencional, y es bien conocida en la técnica. Un sistema 20 de
válvulas está conectado a un controlador 23 y abre y cierra
válvulas de manera selectiva para gestionar el flujo de aire de la
manera deseada a través de los diferentes caminos de flujo. Un
sistema 22 de control de humedad extrae la humedad del aire en zonas
del equipo 10 en que se desee.
Un intercambiador 24 de calor primario
relativamente pequeño está colocado en la tubería de aire de
impacto. El intercambiador 24 de calor primario está dimensionado
para proporcionar la eliminación de calor necesaria, en la
condición de tierra o de ascenso, para alcanzar una temperatura
nominal de salida del compresor. En los sistemas actuales, el
intercambiador de calor primario se dimensiona en la condición de
crucero a gran altitud para que sea de mucho mayor tamaño que el
que se necesita para la condición de baja altitud, produciéndose
debido a ello ineficiencias de funcionamiento. El intercambiador 26
de calor secundario del invento está dispuesto también en la
tubería 15 de aire de impacto. El intercambiador de calor secundario
se dimensiona para proporcionar la eliminación de calor necesaria
en la condición de crucero en la que su flujo en el lado caliente es
relativamente bajo dado que la mayor parte del aire de suministro
del equipo es derivado a la salida del equipo. Típicamente, el
intercambiador de calor secundario se dimensiona en la condición de
unidad auxiliar de potencia en tierra para día cálido y es mucho
mayor de lo necesario para la condición de crucero.
Dado que los intercambiadores de calor primario
24 y secundario 26 de este invento están infradimensionados en
comparación con los sistemas de la técnica anterior, se necesita
refrigeración suplementaria para hacer frente a las condiciones del
caso más desfavorable. Con este propósito, el invento utiliza un
tercer intercambiador 28 de calor que se puede acoplar de manera
selectiva fluidamente a los intercambiadores de calor primario 24
y/o secundario 26 para proporcionar la refrigeración deseada durante
las condiciones del caso más desfavorable. Se pueden utilizar
distintas combinaciones o configuraciones de los intercambiadores de
calor primario 24, secundario 26 y tercero 28 para proporcionar la
capacidad de refrigeración deseada para la cabina.
El sistema 20 de válvulas incluye una primera
válvula 30 que permite de forma selectiva el flujo de fluido entre
el intercambiador 24 de calor primario y/o el tercer intercambiador
28 de calor y el sistema 22 de control de humedad. Una segunda
válvula 32 permite de forma selectiva el flujo de fluido entre el
intercambiador 24 de calor primario y la salida del equipo. Se hace
referencia normalmente a la segunda válvula 32 como válvula ACM de
derivación. Una tercera válvula 34 permite de forma selectiva el
flujo de fluido entre el intercambiador 26 de calor secundario y el
sistema 22 de control de humedad. Una cuarta válvula 36 permite de
forma selectiva el flujo de fluido entre el segundo intercambiador
26 de calor y el tercer intercambiador 28 de calor. Una quinta
válvula 38 permite de forma selectiva el flujo de fluido entre el
tercer intercambiador 28 de calor y la salida del equipo. Una sexta
válvula 40 permite de forma selectiva el flujo de fluido entre el
tercer intercambiador 28 de calor y el sistema 22 de control de
humedad. Una séptima válvula 42 permite de forma selectiva el flujo
de fluido entre componentes situados en el interior del sistema 22
de control de humedad tales como un colector 52 de agua y un
condensador 50.
El sistema 12 de distribución recibe aire
acondicionado procedente de la salida del equipo y lo distribuye
por toda la aeronave de la manera deseada. El sistema 12 de
distribución incluye un mezclador 54 que recibe aire de
recirculación procedente de la cabina y lo mezcla con el aire
acondicionado procedente del equipo 10. El aire procedente del
mezclador 54 y del equipo 10 pasa a través de los dispositivos 58 y
60 de tratamiento acústico, también conocidos en la técnica, para
reducir el ruido generado por el aire acondicionado que fluye a
través del sistema.
La figura 2 representa de forma esquemática el
equipo 10 durante una condición de día cálido/tierra. Para una
mayor claridad, se omiten las conexiones entre el controlador 23 y
las válvulas. El aire comprimido procedente del turbocompresor
entra al intercambiador 24 de calor primario. La segunda válvula 32
puede abrirse o cerrarse según sea necesario para suministrar el
aire a la temperatura deseada en la salida del equipo. La primera
válvula 30 se cierra, de manera que el aire procedente del
intercambiador 24 de calor primario fluye al interior del compresor
44. El aire comprimido procedente del compresor 44 entra al
intercambiador de calor secundario. Se cierra la tercera válvula 34
y se abre la cuarta válvula 36, de manera que el aire procedente del
intercambiador de calor secundario es dirigido al tercer
intercambiador 28 de calor. Se cierra la quinta válvula 38 y se
abre la sexta válvula 40, de manera que el aire procedente del
tercer intercambiador 28 de calor fluye al interior del condensador
50. El aire fluye desde el condensador 50 al interior del colector
52 de agua. El aire deshumidificado procedente del colector de agua
es modulado a través de la séptima válvula 42 de manera que el aire
deshumidificado fluye a través de la turbina 46 y/o de regreso al
condensador 50. El aire fluye desde el condensador 50 hasta la
turbina 48 secundaria donde sale a través de la salida del
equipo.
En la figura 3 se representa de forma
esquemática una condición de gran altitud/crucero. El aire
comprimido procedente de los turbocompresores entra al
intercambiador 24 de calor primario. Una cantidad deseada de aire
procedente del intercambiador 24 de calor primario fluye a través de
una segunda válvula 32 abierta o al menos parcialmente abierta
hasta la salida del equipo. El aire procedente del intercambiador 24
de calor primario fluye a través de la primera válvula 30 abierta
al interior del tercer intercambiador 28 de calor. La quinta
válvula 38 regula la cantidad de flujo de fluido desde el tercer
intercambiador 28 de calor hacia la salida del equipo.
Una parte del aire comprimido procedente del
intercambiador 24 de calor primario entra también al compresor 44.
El aire procedente del compresor 44 fluye al interior del
intercambiador 26 de calor secundario. Se cierra la cuarta válvula
36 y se abre la tercera válvula 34 permitiendo que el fluido fluya
desde el intercambiador 26 de calor secundario al interior de
sistema 22 de control de humedad desde donde fluye hacia el interior
de la primera turbina 46 y posteriormente a la segunda turbina 48.
Desde la segunda turbina 48 el aire acondicionado sale por la
salida del equipo.
Aunque se ha explicado una realización
preferente de este invento, un trabajador de habilidad ordinaria en
esta técnica reconocería que ciertas modificaciones entrarían dentro
del alcance de este invento. Por esa razón, deberían estudiarse las
siguientes reivindicaciones para determinar el verdadero alcance y
contenido de este invento.
Claims (12)
1. Un equipo (10) de aire acondicionado para una
aeronave que comprende:
intercambiadores (24, 26) de calor primario y
secundario;
un tercer intercambiador (28) de calor conectado
de manera fluida a dichos intercambiadores (24, 26) de calor
primario y secundario; y
un sistema (20) de válvulas que conecta
fluidamente, de manera selectiva, dicho tercer intercambiador (28)
de calor con al menos uno de los citados intercambiadores (24, 26)
de calor primario y secundario en respuesta a una orden procedente
de un controlador (23), conectando fluidamente dicho sistema (20) de
válvulas los citados intercambiadores (28, 24) de calor tercero y
primario para proporcionar una primera capacidad de refrigeración,
y conectando fluidamente dicho sistema (20) de válvulas los citados
intercambiadores (28, 26) de calor tercero y secundario para
proporcionar una segunda capacidad de refrigeración diferente de
dicha primera capacidad de refrigeración.
2. El equipo (10) de acuerdo con la
reivindicación 1 que comprende una máquina (18) de ciclo de aire
conectada fluidamente a los citados intercambiadores (24, 26, 28)
de calor.
3. El equipo (10) de acuerdo con la
reivindicación 1 ó 2 que comprende un sistema (22) de control de
humedad conectado fluidamente entre los citados intercambiadores
(24, 26, 28) de calor y la citada máquina (18) de ciclo de
aire.
4. El equipo (10) de acuerdo con la
reivindicación 2, en el cual dicha primera capacidad de
refrigeración corresponde a una condición de gran altitud/crucero
en la que el aire procedente del citado intercambiador (24) de
calor primario fluye al interior del citado tercer intercambiador
(28) de calor, y dicha segunda capacidad de refrigeración
corresponde a una condición de día cálido/tierra en la que el aire
procedente del citado intercambiador (26) de calor secundario fluye
al interior del citado tercer intercambiador (28) de calor.
5. El equipo (10) de acuerdo con la
reivindicación 4, en el cual dicha primera capacidad de
refrigeración es proporcionada por una parte del aire del citado
tercer intercambiador (28) de calor que fluye hacia una salida del
equipo para su distribución, y otra parte del aire del citado
intercambiador (24) de calor primario que fluye hacia un compresor
(44) de la citada máquina (18) de ciclo de aire y desde el citado
compresor (44) hacia el citado intercambiador (26) de calor
secundario, y por aire que fluye desde dicho intercambiador (26) de
calor secundario a través del citado sistema (22) de control de
humedad hacia una primera turbina (46) de dicha máquina (18) de
ciclo de aire.
6. El equipo (10) de acuerdo con la
reivindicación 5, en el cual dicha primera capacidad de
refrigeración es proporcionada por aire que fluye desde dicha
primera turbina (46) de la citada máquina (18) de ciclo de aire a
través del sistema (22) de control de humedad mencionado hacia una
segunda turbina (48) de dicha máquina (18) de ciclo de aire y hacia
la citada salida del equipo para su distribución con el aire
procedente del citado tercer intercambiador (28) de calor.
7. El equipo (10) de acuerdo con la
reivindicación 4, en el cual dicha segunda capacidad de
refrigeración es proporcionada por aire que fluye desde el citado
intercambiador (24) de calor primario a través de un compresor (44)
de la mencionada máquina (18) de ciclo de aire hacia dicho
intercambiador (26) de calor secundario.
8. El equipo (10) de acuerdo con la
reivindicación 7, en el cual dicha segunda capacidad de
refrigeración es proporcionada por aire que fluye desde el citado
tercer intercambiador (28) de calor a través de un sistema (22) de
control de humedad hacia una primera turbina (46) de la citada
máquina (18) de ciclo de aire, y aire que fluye desde dicha primera
turbina (46) a través de dicho sistema (22) de control de humedad
hacia una segunda turbina (48) de dicha máquina (18) de ciclo de
aire y hacia la citada salida del equipo para su distribución.
9. El equipo (10) de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 2 a 8, en el cual la máquina (18) de ciclo de
aire mencionada es una máquina de tres ejes que tiene un compresor
(44) y dos turbinas (46, 48).
10. El equipo (10) de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el cual el citado sistema (20)
de válvulas incluye una primera válvula (30) dispuesta entre los
citados intercambiadores (24, 28) de calor primario y tercero,
permitiendo dicha primera válvula (30) en una posición abierta el
flujo de fluido entre los citados intercambiadores (24, 28) de
calor primario y tercero, cuando se proporciona la citada primera
capacidad de refrigeración, y regulando en una posición de control
el flujo de fluido entre los citados intercambiadores (24, 28) de
calor primario y tercero cuando se proporciona dicha segunda
capacidad de refrigeración.
11. El equipo (10) de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el cual el citado sistema (20)
de válvulas incluye una segunda válvula (32) dispuesta entre los
citados intercambiadores (26, 28) de calor secundario y tercero,
permitiendo dicha segunda válvula (32) en una posición abierta el
flujo de fluido entre los citados intercambiadores (26, 28) de
calor secundario y tercero, cuando se proporciona la citada segunda
capacidad de refrigeración, y evitando en una posición cerrada el
flujo de fluido entre los citados intercambiadores (26, 28) de
calor secundario y tercero cuando se proporciona dicha primera
capacidad de refrigeración.
12. El equipo (10) de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el cual los citados
intercambiadores (24, 26, 28) de calor están dispuestos dentro de
una tubería (15) de aire de impacto.
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