ES2314510T3 - Sistema para el acondicionamiento de aire. - Google Patents
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Abstract
Sistema para el acondicionamiento de aire en un avión con un compresor (C) impulsado con aire en el lado de entrada, con un intercambiador de calor (OHX) de aire de alimentación conectado a continuación del compresor (C), que es impulsado en el lado de aire comprimido en el lado de entrada con aire comprimido en el compresor (C) y que está en comunicación en el lado del aire comprimido en el lado de salida con un Sistema de Generación de Gas Inerte de a Bordo (OBIGGS), que debe ser alimentado con aire comprimido, así como con una turbina (T), que es impulsada en el lado de entrada con aire comprimido desde una alimentación de aire comprimido separada de la alimentación de aire del compresor (C) y que está en comunicación en el lado de salida con la entrada del lado de baja presión del intercambiador de calor (OHX) de aire de alimentación y que está en comunicación con el compresor (C) de tal forma que el compresor (C) puede ser accionado por medio de la turbina (7), caracterizado porque delante de la turbina (T) está conectado un intercambiador de calor (THX) de aire comprimido, en el que el intercambiador de calor (TXH) de aire comprimido esté conectado en el lado de baja presión detrás del intercambiador de calor (OHX) de aire de alimentación y a continuación el intercambiador de calor (THX) de aire comprimido es atravesado por la corriente, y porque esté previsto un conducto de derivación que se puede cerrar por medio de una válvula (TBPV), que conecta la entrada del lado de aire comprimido del intercambiador de calor (THX) de aire comprimido con su salida en el lado de aire comprimido y/o porque está previsto un conducto de derivación que se puede cerrar por medio de una válvula (OBPV), que conecta la entrada del lado de aire comprimido del intercambiador de calor (OHX) de aire de alimentación con su salida en el lado de aire comprimido.
Description
Sistema para el acondicionamiento de aire.
La presente invención se refiere a un sistema y
a un procedimiento para el acondicionamiento de aire en un avión,
de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 así como de
acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 13.
Para el funcionamiento de aparatos de generación
de oxígeno y nitrógeno en aviones así como de aparatos en aviones
con requerimientos similares de suministro de aire se necesita aire
comprimido refrigerado.
A través del consumo de queroseno durante el
vuelo, se llenan los depósitos del avión con una mezcla de vapor de
queroseno y aire. En el caso de una composición desfavorable se
puede producir una mezcla explosiva, que se enciende por sí misma o
a través de la formación de chispas. Para excluir este riesgo, se
propone reducir el contenido de oxígeno del aire en el depósito de
queroseno. Las investigaciones han mostrado que a través de una
reducción del contenido de oxígeno (normal) del aire en el depósito
de queroseno del 20,9% al 12% al 14m5% aproximadamente, se puede
evitar de una manera fiable un encendido propio de la mezcla. Además
de un contenido reducido de oxígeno, es ventajoso un alto contenido
de nitrógeno, para impedir un encendido propio de la mezcla.
Se conoce a partir del documento EP 1 375 349 A1
un aparato para la generación de nitrógeno, que se designa a
continuación como OBIGGS (Sistema de Generación de Gas Inerte de a
Bordo). Este sistema utiliza una tecnología de tamiz molecular, con
lo que se elimina por filtración la mayor parte del oxígeno. En el
lado de salida se obtiene un gas producto con un contenido de
oxígeno muy reducido y con un contenido de nitrógeno claramente
elevado. Este gas producto se puede introducir ahora en el depósito
de queroseno, para excluir el riesgo de un encendido de la mezcla
de queroseno y aire. Por lo demás, el gas productos del OBIGGS se
puede conducir también, por ejemplo, a los compartimientos de
carga, para reducir al mínimo allí el riesgo de incendio.
El sistema OBIGGS requiere una alimentación de
aire comprimido refrigerado de aproximadamente 50ºC a 90ºC. De
acuerdo con la tecnología de filtración utilizada y el tamaño de las
instalaciones, la presión de alimentación mínima necesaria es
aproximadamente 1,8 bares (rel) o bien 3,1 bares (rel). De acuerdo
con el estado de la técnica, la alimentación del OBIGGS se realiza
conduciendo aire comprimido pre-refrigerado
(aproximadamente 200ºC y aproximadamente 2 bares de presión
relativa) desde el sistema de admisión de aire comprimido del avión
a través de una válvula de entrada (OSOV) que se puede cerrar hasta
un intercambiador de calor OBIGGS especial (OHX) y es refrigerado
allí de acuerdo con los requerimientos. El intercambiador de calor
OHX se encuentra en un canal de aire de remanso.
Un sistema de este tipo conocido anteriormente
se deduce a partir de la figura 1. En el sistema OBIGGS se elimina
por filtración entonces el oxígeno a través de la técnica de filtro
correspondiente, con lo que se obtiene un gas producto con una
porción de nitrógeno de > 90%. Éste es conducido entonces, como
se ha descrito anteriormente, a los depósitos y/o a los
compartimientos de carga. Como se deduce a partir de la figura 1,
está previsto un convertidor de ozono, que está conectado delante
del intercambiador de calor OHX. Con la altura de vuelo se
incrementa el contenido de ozono del aire ambiental y, por lo tanto,
del aire comprimido. El ozono puede perjudicar el modo de actuación
de la separación de oxígeno en el sistema OBIGGS. Este efecto
perjudicial se puede, aminorar o excluir a través del convertidor de
ozono, que reduce el contenido de ozono.
Como se deduce, además, a partir de la figura 1,
está prevista una válvula OBPV, que está dispuesta en un conducto
de derivación, que conecta la entrada del lado de aire comprimido
del intercambiador de calor OHX con su salida en el lado de aire
comprimido. A través de la apertura de la válvula OBPV se conduce
aire comprimido caliente alrededor del intercambiador de calor OHX.
De esta manera se puede regular, también a baja temperatura
ambiente (temperatura del aire de remanso), una temperatura mínima
determinada del aire de alimentación refrigerado. De una manera
alternativa, también es posible una regulación de la temperatura a
través de una trampilla o una válvula (no representada) en el canal
de aire de remanso, con lo que se reduce la cantidad de aire de
remanso.
La mayoría de las veces es necesario que el
sistema OBIGGS esté en funcionamiento durante todo el vuelo. Cuando
el avión está en tierra, sin embargo, no está presente ninguna
presión de remanso, es decir, que el aire de remanso para la
refrigeración del intercambiador de calor OHX debe ser generado de
otra manera o bien con medios correspondientes. Esto se puede
conseguir, por ejemplo, por medio de un eyector. En este caso, está
previsto que el aire de admisión sea conducido a través de la
válvula abierta OESOV (ver a figura 1) y sea conducido a una
tobera/eyector OEJ. La alta velocidad de salida del aire por la
tobera provoca un arrastre del aire ambiental, con lo que se genera
una corriente de aire de remanso que sirve para la refrigeración
del intercambiador de calor OHX. La cantidad de aire necesaria para
el eyector es aproximadamente 60% de la cantidad de aire de
alimentación del sistema OBIGGS.
De una manera alternativa a ello, es posible que
el aire de remanso sea generado en tierra por medio de un
ventilador en el canal de aire de remanso. A tal fin, es necesaria
una alimentación de corriente y una unidad de control, que no se
representan en la figura 1.
Para un avión con 150 pasajeros aproximadamente
son necesarios los siguientes caudales para la alimentación de una
instalación OBIGGS:
- Aire comprimido refrigerado de alimentación OBIGGS
- aprox. 100 g/s
- Aire de remanso
- aprox. 150 g/s a 200 g/s
- Eyector (sólo en el funcionamiento en tierra)
- aprox. 60/s
Por lo tanto, para el acondicionamiento de 100
g/s de aire comprimido refrigerado de alimentación OBIGGS son
necesarios, en total, aproximadamente 160 g/s de aire comprimido y
adicionalmente 200 g/s de aire de remanso aproximadamente.
Como se ha mencionado anteriormente, se conocen
también instalaciones OBIGGS, que necesitan una presión de
alimentación más elevada de al menos aproximadamente 3,1 bares
(rel). Para la compensación de ello, sin embargo, la necesidad de
aire comprimido refrigerado de alimentación es solamente 35%
aproximadamente. En virtud de la presión elevada y del caudal
reducido, esta instalación OBIGGS está constituida más pequeña y
más ligera que aquélla que trabaja con presiones más reducidas, pero
con caudales más elevados.
Un problema en el funcionamiento de tales
instalaciones OBIGGS, que necesitan una presión de alimentación más
elevada de aproximadamente 3,1 bares (rel), consiste en que el nivel
de la alimentación de aire comprimido de aviones es aproximadamente
2 bares (rel) y, por lo tanto, claramente por debajo de los 3,1
bares (rel) necesarios. Para acondicionar aire comprimido
refrigerado para este tipo de instalación OBIGGS se necesita, por
lo tanto, un compresor. La figura 2 muestra una arquitectura
correspondiente, que se conoce de la misma manera a partir del
estado de la técnica.
De una manera similar al sistema representado en
la figura 1, se alimenta aire comprimido/aire de admisión a través
de la válvula OSOV abierta hacia el sistema. El aire comprimido
circula, después de pasar por la válvula OSOV, a través de un
convertidor de ozono. Para que en la compresión siguiente en el
compresor C no se produzcan temperaturas demasiado altas, delante
del compresor está conectado un intercambiador de calor (OPHX).
Después de pasar por el compresor, se refrigera el aire comprimido
en el intercambiador de calor OMHX aproximadamente a 75ºC y se
conduce a la instalación OBIGGS. Los intercambiadores de calor OPHX
y OMHX están refrigerados por medio de aire de remanso, como se
representa en la figura 2. En tierra, el aire de remanso es
generado por medio de eyector OEJ o soplante. El accionamiento del
compresor se realiza por medio de una turbina, en la que se expande
el aire comprimido, que se desvía aguas abajo del convertidor de
ozono. Con esta finalidad, se abre la válvula OPRV y se conduce
aire comprimido a la entrada de la turbina.
De una manera alternativa a ello, el
accionamiento del compresor se puede realizar también por medio de
un motor eléctrico, como se conoce, por ejemplo, a partir de la
publicación de patente U. S. 4.681.602. De esta manea, se ahorra
aire comprimido para la turbina. Sin embargo, el motor eléctrico
está constituido relativamente pesado y requiere otros componentes
como una alimentación de energía (convertidor) y una unidad de
control.
Los sistemas conocidos a partir del estado de la
técnica según las figuras 1 y 2 están implicados con los siguientes
inconvenientes:
- \quad
- Para el aire de remanso del intercambiador de calor OHX (figura 1) o bien OPHX/OMHX (figura 2) es necesario un canal de aire de remanso autónomo, que incluye los orificios correspondientes para entrada y salida en la estructura del avión. De esta manera, se reduce el espacio disponible para carga y se eleva el peso del avión, así como se generan costes adicionales. Este inconveniente se incrementa todavía en el caso de que la instalación OBIGGS deba reequiparse en aviones existentes. A este respecto, son necesarias modificaciones mayores, para integrar un canal de aire de remanso con orificios adicionales nuevos para la entrada y salida posteriormente en la estructura del avión.
- \quad
- Por razones de costes y de complejidad se prescinde, en general, de una trampilla en la entrada del canal de aire de remanso. De ello se deriva el inconveniente de que en vuelo está presente siempre el máximo caudal del canal de aire de remanso, aunque en determinadas fases del vuelo o a baja temperatura ambiente sería suficiente un caudal reducido de aire de remanso. El caudal de aire de remanso eleva el consumo de queroseno del avión y, por lo tanto, los costes de funcionamiento.
- \quad
- El funcionamiento OBIGGS es necesario, en general, también en tierra. Puesto que en este estado de funcionamiento, en virtud de la falta de presión dinámica, no está disponible aire de remanso, éste debe ser transportado activamente. A tal fin, o bien debe incorporarse un soplante o, como se muestra en las figuras 1 y 2, un eyector (OEJ y OESOV). Ambas variantes van unidas con costes y con inconvenientes de peso. Por lo demás, con ello resulta una necesidad adicional de aire comprimido para el eyector o bien una necesidad de potencia eléctrica adicional, en el caso de que de forma alternativa se utilice un soplante de aire de remanso.
- \quad
- Los sistemas de acondicionamiento de aire comprimido conocidos anteriormente necesitan la mayoría de las veces un convertidor de ozono. Las pérdidas de presión generadas en este caso deben compensarse con pérdidas de presión menores en los intercambiadores de calor siguientes, para asegurar la misma presión de alimentación para la instalación OBIGGS. De este modo, los intercambiadores de calor están constituidos mayores y más pesados. A ello hay que añadir como otro inconveniente el peso del convertidor de ozono.
- \quad
- De acuerdo con la potencia requerida del grupo propulsor, están disponibles diferentes presiones en el sistema de admisión de aire del avión. Durante el descenso/vuelo de aproximación de aterrizaje la potencia del grupo propulsor está muy reducida, de donde resultan presiones relativamente bajas. Los tanques de un avión están ventilados de tal forma que resulta en el tanque la misma presión que en el ambiente. Durante el descenso del avión, se incrementa la presión ambiental. Para adaptar la presión del interior de los tanques a la presión ambiental, debe alimentarse en esta fase, la mayoría de las veces, aire a los tanques. Por lo tanto, una instalación OBIGGS debe suministrar en esta fase la cantidad máxima de aire enriquecido con nitrógeno y de esta manera genera también en esta fase los requerimientos máximos planteados al aire comprimido de alimentación OBIGGS. Puesto que la capacidad de potencia de los sistemas descritos en las figuras 1 y 2 depende directamente de la presión del aire de admisión, precisamente en la fase de la demanda máxima está limitada la capacidad de potencia de la instalación de acondicionamiento de aire comprimido OBIGGS. Esto debe compensarse a través de componentes dimensionados correspondientemente mayores, de donde se deducen inconvenientes correspondientes en lo que se refiere al peso, espacio de construcción y costes.
Los inconvenientes descritos anteriormente se
aplican de la misma manera para los sistemas del estado de la
técnica representados en las figuras 1 y 2.
A partir del sistema representado en la figura 2
se deducen los siguientes inconvenientes adicionales:
Con el sistema descrito en la figura 2 se
obtiene, frente al sistema, en primer lugar la ventaja de que se
pueden conseguir presiones más elevadas para la alimentación OBIGGS.
De esta manera, se reduce claramente la cantidad transportada de
aire de alimentación refrigerado y se puede utilizar una instalación
OBIGGS más eficiente. Sin embargo, esta ventaja es anulada de nuevo
por los siguientes motivos:
- -
- Con el compresor es necesario un componente adicional.
- -
- Es necesario un accionamiento para el compresor, que necesita, en el caso de una turbina, aire comprimido adicional desde el sistema de aire de admisión. Por lo tanto, es necesario aire comprimido para la alimentación OBIGGS propiamente dicha, así como para el accionamiento de la turbina y para el eyector para la generación de aire de remanso, es decir, aire de refrigeración en el funcionamiento en tierra.
- -
- Es necesario un intercambiador de calor adicional (POHX), con los inconvenientes correspondientes con respecto al espacio de construcción y al peso.
- -
- En virtud de la cantidad de aire de alimentación OBIGGS necesaria reducida (a elevada presión de alimentación) se pueden reducir, en principio, los caudales de aire de remando necesarios. Sin embargo, esto se anula a través de la cantidad de aire de remanso, que necesita el OPHX adicional.
Se conoce a partir del documento US 2004/00255
07 A1 un sistema para el acondicionamiento de aire en un avión de
acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 así como un
procedimiento para el acondicionamiento de aire en un avión de
acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 13.
La presente invención tiene el cometido de
preparar un sistema compacto y eficiente para el acondicionamiento
de aire en un avión.
Este cometido se soluciona por medio de las
características de la reivindicación 1 de la patente.
Las configuraciones ventajosas de la invención
son objeto de las reivindicaciones dependientes.
De acuerdo con la invención, está previsto un
sistema para el acondicionamiento de aire en un avión con un
compresor impulsado con aire en el lado de entrada, con un
intercambiador de calor de aire de alimentación conectado a
continuación del compresor, que es impulsado en el lado de aire
comprimido en el lado de entrada con aire comprimido en el
compresor y que está en comunicación en el lado del aire comprimido
en el lado de salida con un sistema o aparato, que debe ser
alimentado con aire comprimido, así como con una turbina, que es
impulsada en el lado de entrada con aire comprimido desde una
alimentación de aire comprimido separada de la alimentación de aire
del compresor y que está en comunicación en el lado de salida con la
entrada del lado de baja presión del intercambiador de calor de
aire de alimentación y que está en comunicación con el compresor,
de tal forma que el compresor puede ser accionado por medio de la
turbina.
Un sistema de este tipo para el
acondicionamiento de aire presenta la ventaja de que para la
refrigeración del aire de alimentación no se necesita aire de
remanso, con lo que se puede suprimir un canal de aire de remanso,
previsto propiamente de acuerdo con el estado de la técnica, con
orificios correspondientes en la estructura del avión. Esto es
especialmente ventajoso en el caso de que la instalación OBIGGS sea
reequipada en tipos de aviones existentes. Se ahorra el peso y el
espacio de construcción del canal de aire de remanso y se evita
adicionalmente la elevación de la resistencia de vuelo en virtud del
caudal de aire de remanso. A través de la independencia de un canal
de aire de remanso se puede seleccionar de forma más flexible
también el lugar de montaje para el
sistema.
sistema.
Otra ventaja del sistema de acuerdo con la
invención consiste en que no se necesita ningún eyector o soplante
de aire de remanso para la generación de aire de remanso en el
funcionamiento en tierra. De esta manera se ahorran componentes
(válvula del eyector, eyector y conductos o soplante y alimentación
de corriente con activación) y se reduce la necesidad de aire
comprimido o de potencia eléctrica. El ahorro de aire comprimido y
de potencia eléctrica es especialmente ventajoso, puesto que en
tierra, cuando los grupos propulsores están todavía desconectados,
el aire de admisión y la potencia eléctrica son generados por un
propulsor adicional, que solamente puede generar aproximadamente el
90% de la cantidad normal de aire de admisión. El aire de admisión
y la potencia eléctrica solamente están disponibles en una medida
limitada especialmente en el funcionamiento en tierra.
En oposición al sistema representado en la
figura 1, conocido a partir del estado de la técnica, el sistema de
acuerdo con la invención puede conseguir también presiones de
alimentación altas de aproximadamente 3,1 bares (rel). Como se ha
descrito anteriormente, a presiones elevadas son suficientes
cantidades de aire de alimentación OBIGGS (corriente de masas)
claramente reducidas (aproximadamente 35%). En virtud del caudal
reducido y al mismo tiempo de la presión elevada, la corriente
volumétrica que debe transportarse al OBIGGS es sólo del 20% en
comparación con el sistema del estado de la técnica representado en
la figura 1. El tamaño de construcción de los componentes como
intercambiadores de calor y compresor es esencialmente una función
de la corriente volumétrica. Estos componentes están constituidos,
por lo tanto, esencialmente menores y más ligeros. El sistema de
acuerdo con la invención se puede construir muy compacto con
dimensiones exteriores mínimas.
En otra configuración de la invención, está
previsto que el compresor sea impulsado en el lado de entrada con
aire desde un espacio presurizado, con preferencia con aire de la
cabina. En esta configuración de la invención se puede utilizar
también aire de otros espacios presurizados de un avión.
Habitualmente se alimenta aire fresco desde el sistema de aire de
admisión a través de la instalación de climatización del avión a la
cabinas. En este caso, delante de la instalación de climatización
está conectado, en general, un convertidor de ozono. El aire de la
cabina está ya, por lo tanto, filtrado de ozono. El sistema de
acuerdo con la invención aspita, en esta forma de realización, aire
de alimentación OBIGGS por medio del compresor desde la cabina. De
esta manera, se puede suprimir el convertidor de ozono. Además de la
reducción de peso y de costes, se reducen de este modo también las
pérdidas de presión y, por lo tanto, la potencia necesaria del
compresor/la elevación de la presión. De ello se deducen ventajas
secundarias, como necesidad de presión reducida en la unidad de
turbinas así como intercambiadores de calor más pequeños en virtud
de la temperatura reducida de salida del compresor.
Como se ha indicado anteriormente, durante el
descenso del avión desde la altura de vuelo de crucero o bien en el
vuelo de aproximación de aterrizaje se reduce claramente la potencia
de los grupos propulsores y, por lo tanto, la presión de
alimentación en el sistema de aire de admisión. Sin embargo, al
mismo tiempo esta fase de vuelo requiere caudales máximos desde la
instalación OBIGGS y, por lo tanto, también desde la alimentación
de aire comprimido OBIGGS. En virtud del hecho de que el sistema de
acuerdo con la invención aspira aire desde la cabina, en esta
configuración preferida de la invención, cuya presión está por
encima de la presión ambiental, el sistema de acuerdo con la
invención puede suministrar en vuelo también a presión reducida del
aire de admisión, aire de alimentación suficientemente comprimido y
refrigerado.
En otra configuración de la presente invención
está previsto que la turbina sea impulsada en el lado de entrada
con aire de admisión desde los grupos propulsores o desde un
agregado auxiliar del avión.
Para la refrigeración del aire comprimido
alimentado a la turbina, delante de la turbina de acuerdo con la
presente invención está conectado, en el lado del aire comprimido,
un intercambiador de calor de aire comprimido. Éste está conectado
en el lado de baja presión a continuación del intercambiador de
calor de aire de alimentación, de manera que el aire de salida de
las turbinas circula en primer lugar a través del intercambiador de
calor de aire de alimentación y a continuación a través del
intercambiador de calor de aire comprimido. La refrigeración previa
del aire comprimido alimentado a la turbina reduce la temperatura de
salida de la turbina y, por lo tanto, la temperatura de salida del
lado de aire comprimido del intercambiador de calor de aire de
alimentación.
En otra configuración de la invención, está
previsto que el intercambiador de calor de aire comprimido forma
una unidad de construcción con el intercambiador de calor de
alimentación y esté separado de éste en el lado de aire comprimido.
De una manera alternativa a ello, está previsto que los
intercambiadores de calor estén separados mecánicamente y en el
lado de aire comprimido.
De acuerdo con la presente invención, está
previsto un conducto de derivación que se puede cerrar por medio de
una válvula, que conecta la entrada del lado de aire comprimido del
intercambiador de calor de aire comprimido con su salida en el lado
de aire comprimido. De esta manera se puede ajustar, a temperatura
reducida del aire comprimido del sistema de aire de admisión, una
temperatura mínima determinada del aire comprimido refrigerado de
alimentación.
De una manera alternativa o adicional, está
previsto un conducto de derivación que se puede cerrar por medio de
una válvula, que conecta la entrada del lado de aire comprimido del
intercambiador de calor de aire de alimentación con su salida en el
lado de aire comprimido. Una forma de realización de este tipo sirve
también para la regulación de la temperatura del aire de
alimentación, que debe alimentarse al sistema o bien al aparato
conectado en el lado de aire comprimido a continuación del
intercambiador de calor de aire de alimentación.
Además, puede estar previsto que el compresor
esté realizado de una o de varias fases y/o que estén previstos uno
o varios compresores.
El aire de salida del lado de baja presión de o
de los intercambiadores de calor se puede descargar por medio de un
conducto al medio ambiente o se puede introducir en el canal de aire
de remanso de una instalación de climatización del avión.
En otra configuración de la invención, está
prevista una válvula, por medio de la cual se puede modificar o
bloquear la corriente de aire comprimido alimentada a la turbina. En
determinadas fases de vuelo, como el arranque, pueden aparecer
presiones relativamente altas en el sistema de aire de admisión.
Esto conduce a una potencia alta de las turbinas y, por lo tanto,
también a una potencia alta de los compresores. Para impedir en
este caso temperaturas extremas en la salida del compresor, se puede
limitar la presión del aire comprimido alimentado a la turbina a
través del cierre parcial de esta válvula.
En otra configuración de la invención, está
prevista una válvula, por medio de la cual se puede modificar o
bloquear la corriente de aire alimentada al compresor.
En una configuración preferida de la invención,
los compresores y la turbina forman una instalación de árbol con
árbol común. Esta máquina de dos ruedas puede estar equipada con un
motor, que está conectado a través del árbol con el compresor y la
turbina. En el caso de presiones especialmente reducidas del aire
de admisión se puede compensar de esta manera la potencia demasiado
reducida del árbol de la turbina.
Además, puede estar previsto que la instalación
de árbol y el o los intercambiadores de calor formen una unidad
mecánica común o de una manera alternativa a ello estén separados
mecánicamente unos de otros.
La invención se refiere, además, a un
procedimiento para el acondicionamiento de aire en un avión de
acuerdo con la reivindicación 13 de la patente.
Las configuraciones ventajosas de la invención
son objeto de las reivindicaciones dependientes.
Otros detalles y ventajas se explican en
particular con la ayuda de un ejemplo de realización representado
en el dibujo. En este caso:
La figura 1 muestra un sistema de
acondicionamiento de aire comprimido de acuerdo con el estado de la
técnica.
La figura 2 muestra un sistema de
acondicionamiento de aire comprimido de acuerdo con el estado de la
técnica en otra forma de realización.
La figura 3 muestra un sistema de
acondicionamiento de aire comprimido de acuerdo con la invención sin
canal de aire de remanso con regulación de la temperatura OBPV.
La figura 4 muestra un sistema de
acondicionamiento de aire comprimido de acuerdo con la invención sin
canal de aire de remanso con regulación de la temperatura TBPV.
La figura 5 muestra presiones como función de la
altura de vuelo.
La figura 6 muestra un sistema de
acondicionamiento de aire comprimido de acuerdo con la invención sin
canal de aire de remanso con turbina de refrigeración de dos ruedas
accionada con motor.
El sistema de acondicionamiento de aire
comprimido de acuerdo con la figura 3 presenta los siguientes
componentes:
Está prevista una turbina de refrigeración de
dos ruedas con un compresor C y una turbina T. Además, está
previsto un conducto, que conduce desde la cabina presurizada hacia
la entrada del compresor y que se puede cerrar por medio de la
válvula OSOV. El intercambiador de calor OHX de aire de alimentación
está conectado en el lado de aire comprimido en el lado de entrada
con el compresor y en el lado de aire comprimido en el lado de
salida con la instalación OBIGGS a alimentar. Por lo demás, está
previsto un conducto, que conduce desde el sistema de aire de
admisión hacia la entrada del lado de aire comprimido del
intercambiador de calor THX, pudiendo cerrarse este conducto por
medio de la válvula TIV. Otro conducto conecta la salida del lado
de aire comprimido del intercambiador de calor THX con la entrada de
la turbina. Por lo demás, está previsto un conducto, que conecta la
entrada del lado de aire comprimido del intercambiador de calor OHX
con la salida del lado de aire comprimido del intercambiador de
calor OHX y que se puede cerrar por medio de la válvula OBPV. Por
último, está previsto un conducto, que conecta la salida de la
turbina T con la entrada del lado de baja presión del
intercambiador de calor OHX de aire de alimentación. El
intercambiador de calor de aire comprimido THX está conectado en el
lado de baja presión a continuación del intercambiador de calor OHX
de aire de alimentación y puede formar con el intercambiador de
calor OHX de aire de alimentación una unidad común de intercambio
de calor, pero separada en el lado de aire comprimido. Un conducto
desde la salida del lado de baja presión del intercambiador de
calor THX de aire comprimido conduce al medio ambiente o al canal
de salida de aire de remanso de una instalación de climatización del
avión.
El sistema de conducción, que comprende la
turbina T, está separado del sistema de conducto que comprende el
compresor C. El componente que está presente en ambos sistemas es el
intercambiador de calor OHX de aire de alimentación, que es
atravesado en el lado de la presión por aire comprimido en el
compresor y en el lado de baja presión es atravesado por el aire de
salida de la turbina.
El modo de funcionamiento del sistema
representado en la figura 3 se configura de la siguiente manera:
Se aspira aire de la cabina a aproximadamente
25ºC y 1 bar desde el compresor C y se comprime aproximadamente a
3,1 bares (rel) (funcionamiento en tierra). En el lado de salida del
compresor se encuentra, por lo tanto, una presión de
aproximadamente 4,1 bares (absolutos). A continuación se refrigera
el aire en el intercambiador de calor OHX de aire de alimentación
aproximadamente a 75ºC y a continuación se alimenta a la instalación
OBIGGS o a otra instalación con requerimientos similares de
alimentación de aire. La extracción del aire de la cabina se puede
realizar, por ejemplo, en la zona de entrada de las trampillas y
válvulas de salida de la regulación de la presión de la cabina. La
cantidad de aire necesaria es aproximadamente 3% de la cantidad de
aire fresco alimentada continuamente a la cabina. De ello se deduce
que la influencia sobre la regulación de la presión de la cabina y
la fuga de la cabina es insignificantemente pequeña.
Se conduce aire comprimido/aire de admisión de
aproximadamente 200ºC y 2 bares (rel) al intercambiador de calor de
aire comprimido THX y se refrigera aproximadamente a 150ºC. A
continuación se expande este aire en la turbina T y se refrigera en
este caso aproximadamente a 50ºC. Este nivel de temperatura es
suficiente para refrigerar en el intercambiador de calor OHX de
aire de alimentación siguiente el aire de salida del compresor
desde aproximadamente 210ºC (CDS) hasta aproximadamente 75ºC (TEMP).
En la salida del lado de baja presión del intercambiador de aire
OHX de aire de alimentación se obtiene una temperatura de
aproximadamente 120ºC, que es suficiente para refrigerar, en el
intercambiador de calor THX de aire comprimido siguiente, el aire
comprimido desde el sistema de aire de admisión de aproximadamente
200ºC hasta aproximadamente 150ºC. El aire de salida del lado de
baja presión del intercambiador de calor THX de aire comprimido es
conducido finalmente, por ejemplo, a través del canal de salida de
aire de remanso presente de todos modos de la instalación de
climatización del avión hacia el medio ambiente. La potencia
descendente del árbol de la turbina T se utiliza para el
accionamiento del compresor C.
El caudal de la turbina es aproximadamente el
doble de la cantidad de aire de alimentación OBIGGS requerida.
Como se deduce a partir de la figura 3, está
previsto un conducto de derivación, que conecta la entrada del lado
de aire comprimido con la salida del lado de aire comprimido del
intercambiador de calor OHX de aire de alimentación. En este
conducto está prevista una válvula OBPV. A través de la apertura de
esta válvula se conduce aire caliente comprimido en el compresor C
alrededor del intercambiador de calor OHX. De esta manera se puede
regular, también a baja temperatura de salida de la turbina (en
virtud de la temperatura reducida del aire comprimido desde el
sistema de aire de admisión), una temperatura mínima determinada
TEMP del aire comprimido de alimentación OBIGGS refrigerado.
A partir de la figura 4 se deduce un método
alternativo para la regulación de la temperatura del aire de
alimentación OBIGGS. Por aire de alimentación OBIGGS se entiende el
aire de salida del lado de aire comprimido del intercambiador de
calor OHX de aire de alimentación. En este método alternativo para
la regulación de la temperatura, se conecta la entrada del lado de
aire comprimido del intercambiador de calor THX de aire comprimido
con la salida del lado de aire comprimido de este intercambiador de
calor, como se deduce a partir de la figura 4. Este conducto de
derivación se puede cerrar por medio de la válvula TBPV. A través de
la apertura de esta válvula se conduce aire comprimido caliente
alrededor del intercambiador de calor THX de aire comprimido. De
esta manera, se obtiene una temperatura elevada de entrada de la
turbina o bien una temperatura elevada de salida de la turbina y en
último término una temperatura elevada TEMP del aire de alimentación
OBIGGS.
El método explicado con relación a la figura 4
por medio de la válvula TBPV tiene, frente al método de regulación
de la temperatura según la figura 3 con la válvula OBPV, la ventaja
de que, a temperatura reducida del aire de admisión, es decir, a
temperatura reducida de entrada en el lado de aire comprimido del
intercambiador de calor THX, se pre-calienta menos
fuertemente el aire de admisión alimentado a la turbina T en el
intercambiador de calor THX de aire comprimido. De esta manera, la
potencia de presión existente en la entrada de la turbina es más
alta, con lo que se obtiene una necesidad de presión más reducida
para la turbina T. Cuanto más alta es la temperatura en la entrada
de la turbina, tanto más reducida es la presión requerida en la
entrada de la turbina para la consecución de la misma potencia del
árbol. Esto es especialmente ventajoso durante la fase de descenso
del avión, puesto que aquí pueden aparecer temperaturas y presiones
reducidas del aire de admisión, lo que es atribuible a la potencia
reducida del grupo propulsor.
En determinadas fases de vuelo, como en el
arranque, pueden aparecer presiones relativamente altas en el
sistema de aire de admisión. Esto conduce a la potencia elevada de
la turbina y, por lo tanto, del compresor. Para evitar aquí
temperaturas extremas (CDS) en la salida del compresor, se puede
limitar la presión del aire comprimido alimentado a la turbina T a
través del cierre parcial de la válvula TIV.
Para la supervisión de la regulación, el sistema
de acuerdo con la invención está conectado con una unidad de
control.
A medida que aumenta la altura de vuelo, se
reduce claramente la presión ambiental, como se deduce a partir de
la figura 5. Sin embargo, la presión de la cabina se reduce
claramente menos. A una presión ambiental de aproximadamente 200
hPa a una altura de vuelo de 38.000 pies, la presión de la cabina
debe ser siempre todavía 800 hPa. Los requerimientos de presión
para el aire de alimentación OBIGGS son relativos a la presión
ambiental. Puesto que el compresor C aspira aire desde la cabina, en
un ejemplo de realización ventajoso de la invención, se reduce la
potencia requerida del compresor de una manera correspondiente a
medida que aumenta la altura de vuelo, puesto que se reduce la
diferencia de presión entre el aire de alimentación OBIGGS y el
aire de la cabina. En paralelo con ello, se reduce también la
demanda de aire comprimido de la turbina para el accionamiento del
compresor.
Mientras que en tierra el compresor proporciona
una elevación de la presión en torno a 3,1 bares, a una altura de
vuelo de 40.000 pies solamente es necesaria una elevación de la
presión en torno a 2,5 bares, como se deduce a modo de ejemplo a
partir de la figura 5. Con la potencia necesaria reducida del
compresor se reduce también la temperatura de salida del compresor
y, por lo tanto, la temperatura de salida en el lado de aire
comprimido del intercambiador de calor OHX de aire de alimentación
desde aproximadamente 75ºC hasta aproximadamente 50ºC. De esta
manera, resulta que en vuelo está presente una cierta reserva de
potencia con relación a la temperatura de alimentación.
En otra configuración de la invención, la
máquina de dos ruedas con compresor C y turbina T puede presentar
adicionalmente un motor M, que está conectado por medio de un árbol
con el compresor C y la turbina T, como se deduce a partir de la
figura 6.En el caso de presión del aire de admisión especialmente
reducida, se puede compensar, por lo tanto, la potencia demasiado
reducida del árbol de la turbina, es decir, que se puede
complementar la potencia de la turbina a través de la potencia
correspondiente del motor.
En resumen, resulta que la necesidad de aire se
puede reducir en torno al 60% - 65% a través del sistema de acuerdo
con la invención.
Claims (18)
1. Sistema para el acondicionamiento de aire en
un avión con un compresor (C) impulsado con aire en el lado de
entrada, con un intercambiador de calor (OHX) de aire de
alimentación conectado a continuación del compresor (C), que es
impulsado en el lado de aire comprimido en el lado de entrada con
aire comprimido en el compresor (C) y que está en comunicación en
el lado del aire comprimido en el lado de salida con un Sistema de
Generación de Gas Inerte de a Bordo (OBIGGS), que debe ser
alimentado con aire comprimido, así como con una turbina (T), que
es impulsada en el lado de entrada con aire comprimido desde una
alimentación de aire comprimido separada de la alimentación de aire
del compresor (C) y que está en comunicación en el lado de salida
con la entrada del lado de baja presión del intercambiador de calor
(OHX) de aire de alimentación y que está en comunicación con el
compresor (C) de tal forma que el compresor (C) puede ser accionado
por medio de la turbina (7), caracterizado porque delante de
la turbina (T) está conectado un intercambiador de calor (THX) de
aire comprimido, en el que el intercambiador de calor (TXH) de aire
comprimido esté conectado en el lado de baja presión detrás del
intercambiador de calor (OHX) de aire de alimentación y a
continuación el intercambiador de calor (THX) de aire comprimido es
atravesado por la corriente, y porque esté previsto un conducto de
derivación que se puede cerrar por medio de una válvula (TBPV), que
conecta la entrada del lado de aire comprimido del intercambiador
de calor (THX) de aire comprimido con su salida en el lado de aire
comprimido y/o porque está previsto un conducto de derivación que
se puede cerrar por medio de una válvula (OBPV), que conecta la
entrada del lado de aire comprimido del intercambiador de calor
(OHX) de aire de alimentación con su salida en el lado de aire
comprimido.
2. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque el compresor (C) es impulsado en el lado
de entrada con aire desde un espacio presurizado de un avión, con
preferencia con aire de salida de la cabina.
3. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1 ó
2, caracterizado porque el aire comprimido alimentado a la
turbina (T) es aire tomado de los grupos propulsores o de un
agregado auxiliar del avión.
4. Sistema de acuerdo con una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
intercambiador de calor (THX) de aire comprimido forma con el
intercambiador de calor (OHX) de aire de alimentación una unidad
mecánica y está separado de aquél en el lado de aire comprimido.
5. Sistema de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el
intercambiador de calor (OHX) de aire de alimentación (OHX) y el
intercambiador de calor (THX) de aire comprimido están separados
mecánicamente y en el lado de aire comprimido.
6. Sistema de acuerdo con una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
compresor está realizado de una o varias fases y/o porque están
previstos uno o varios compresores.
7. Sistema de acuerdo con una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está
previsto un conducto, por medio del cual se puede descargar el aire
de salida del lado de baja presión del o de los intercambiadores de
calor (OHX, THX) al medio ambiente o se puede introducir en un canal
de aire de remanso de una instalación de climatización del
avión.
8. Sistema de acuerdo con una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está
prevista una válvula (TIV), por medio de la cual se puede modificar
o bloquear la corriente de aire comprimido alimentada a la turbina
(T).
9. Sistema de acuerdo con una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está
prevista una válvula (OSOV), por medio de la cual se pueden
modificar o bloquear la corriente de aire alimentada al compresor
(C).
10. Sistema de acuerdo con una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
compresor (C) y la turbina (T) forman una instalación de árbol con
árbol común.
11. Sistema de acuerdo con la reivindicación 10,
caracterizado porque la instalación de árbol presenta un
motor de accionamiento (M) para el accionamiento del compresor
(C).
12. Sistema de acuerdo con la reivindicación 10
u 11, caracterizado porque la instalación de árbol y el o
los intercambiadores de calor (OHX; THX) forman una unidad mecánica
común o están separados mecánicamente.
13. Procedimiento para el acondicionamiento de
aire en un avión, en el que se comprime aire en un compresor (C),
el aire comprimido es refrigerado en el lado de aire comprimido de
un intercambiador de calor (OHX) de aire de alimentación y a
continuación es alimentado a un Sistema de Generación de Gas Inerte
de a Bordo (OBIGGS), que debe ser alimentado con aire comprimido,
en el que la refrigeración del aire comprimido en el compresor (C)
se realiza por medio de aire que es alimentado a una turbina (T) por
medio de una alimentación de aire comprimido, separada de la
alimentación de aire del compresor (C), es expandido en esta turbina
y es alimentado al lado de baja presión del intercambiador de calor
(OHX) de aire de alimentación, en el que la potencia de la turbina
que cae durante la expansión del aire comprimido es utilizada, al
menos en parte, para el accionamiento del compresor (C),
caracterizado porque el aire comprimido alimentado a la
turbina (T) es refrigerado antes de la entrada en la turbina (T) en
un intercambiador de calor (TXH) de aire comprimido, en el que el
aire de salida de la turbina para la refrigeración del aire
comprimido en el compresor (C) es conducido en primer lugar a
través del intercambiador de calor (OHX) de aire de alimentación y a
continuación es conducido para la refrigeración del aire
comprimido, alimentado a la turbina (T), a través del intercambiador
de calor (TXH) de aire comprimido, y porque está previsto un modo
de funcionamiento para garantizar una temperatura mínima del aire
comprimido alimentado al Sistema (OBIGGS) o aparato, en el que el
aire comprimido en un compresor (C) es conducido, eludiendo al
menos en parte el intercambiador de calor (OHX) de aire de
alimentación, desde el lado de entrada del lado de aire comprimido
hacia el lado de salida del lado de aire comprimido del
intercambiador de calor (OHX) de aire de alimentación y/o porque
está previsto un modo de funcionamiento para la elevación de la
temperatura de entrada de la turbina, en el que el aire comprimido,
eludiendo al menos en parte el intercambiador de calor (THX) de
aire comprimido, es conducido desde el lado de entrada del lado de
aire comprimido hacia el lado de salida del lado de aire comprimido
del intercambiador de calor (THX) de aire comprimido.
14. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 13, caracterizado porque en el compresor (C)
se comprime aire de salida de la cabina.
15. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 13 ó 14, caracterizado porque se conduce a la
turbina (T) aire comprimido refrigerado o no refrigerado desde un
grupo propulsor o agregado auxiliar.
16. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el aire de
salida del lado de baja presión del o de los intercambiadores de
calor es cedido al medio ambiente o es introducido en el canal de
aire de remanso de una instalación de climatización del avión.
17. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
compresor (C) es accionado adicionalmente con motor a la presión
reducida del aire comprimido alimentado a la turbina (T).
18. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está
previsto un modo de funcionamiento para la limitación de la presión
de entrada de la turbina, en el que es relimita la corriente de
aire comprimido alimentada a la turbina (T).
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