專利名稱：環(huán)境控制系統(tǒng)冷凝循環(huán)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及空調(diào)用空氣循環(huán)環(huán)境控制系統(tǒng)。
在稀薄大氣中飛行的飛機通常用一個空氣循環(huán)環(huán)境控制系統(tǒng)來冷卻、過濾、壓縮及用其它方法調(diào)節(jié)機艙空氣。大多數(shù)裝置中，由發(fā)動機壓縮機部分、輔助動力裝置或由它們兩者提供的壓縮的環(huán)境空氣在一個空氣循環(huán)透平機中得以膨脹，以提供機艙所需的冷而新鮮的空氣源。為提供這個冷而新鮮的空氣源，需要付出兩方面的代價。第一，由于完成這些裝置組裝所需的諸組件有一定數(shù)量及各有其相應尺寸，這些設備就相當?shù)卦龃罅孙w機的毛重。第二，貯存于被壓縮的環(huán)境空氣中的相當多量的能量要能滿足一架即使是一般大小的飛機的冷卻要求。在一個面臨燃料漲價和提高環(huán)境關心的工業(yè)中，要以相當大的努力去減少這些系統(tǒng)的重量和能耗，而不損害各系統(tǒng)的性能。
由于被壓縮的環(huán)境空氣很易獲得，它便成了一種用于機載環(huán)境控制系統(tǒng)的方便的風源。在大多數(shù)系統(tǒng)中，環(huán)境空氣經(jīng)過一個由來自飛機外的空氣冷卻的換熱器，以將其溫度降到周圍的環(huán)境空氣溫度。為了進一步降低壓縮的環(huán)境空氣的溫度，要將它在一個透平機中加以膨脹。如被膨脹的空氣溫度低于其露點時，其中所帶的水蒸汽就會冷凝。當將壓縮的環(huán)境空氣進一步膨脹，以降溫到低于其冰點時，冷凝的水就結冰了。當達到足夠數(shù)量時，形成的冰就限制了系統(tǒng)中的流通并降低其性能，有可能達到系統(tǒng)不能工作的程度。
許多現(xiàn)有技術的系統(tǒng)利用一項或兩項技術以確保不產(chǎn)生要堵住系統(tǒng)的冰。這些技術措施中的第一條就是簡單地將透平機設計得使其輸出空氣的溫度保持在冰點之上。這樣，不僅不會形成冰，而且可減少換熱器這一占整套系統(tǒng)的重量的相當大百分比的笨重的組件的尺寸。但是，為了產(chǎn)生所需要的冷卻能量，該種特點的系統(tǒng)要具有的能量遠比透平機輸出空氣溫度可低于冰點的這種系統(tǒng)的要多。
在這些系統(tǒng)中采用的第二種技術措施是將透平機運轉到低于冰點，且為該系統(tǒng)提供有兩種能力，即能感測出冰的存在及能給表明積累的冰已達到不允許的量的區(qū)域輸送化冰的熱流。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是化冰機構是需要時使用時，因此，只要當探測出冰之時才從系統(tǒng)中提取能量。然而，輸送化冰的熱流需要附加的裝置，這樣也就增加了整個系統(tǒng)的重量。在美國專利3177679中，當位于兩只透平機的每個的出口的諸恒溫器指示出低于冰點的溫度時，在連接透平機諸出口與諸熱空氣源的管道中的諸閥門就打開。在美國專利4127011，一個壓力通風系統(tǒng)將透平機的出口包圍住。當該透平機出口的溫度低于冰點時，閥門打開以將熱空氣送入壓力通風系統(tǒng)，以防在透平機出口內(nèi)表面上積聚冰。
關于第二技術措施的另一種方法是將系統(tǒng)諸透平機運轉到低于冰點，并在透平機輸出空氣中混入一股連續(xù)的熱空氣流，以提高輸出空氣的溫度。在美國專利3877246中，描述了一個具有兩只透平機的系統(tǒng)采用了該技術。第一透平機的輸出空氣與從機艙中的再循環(huán)回風和被壓縮的熱空氣相混合，使它能在冰點下工作。該混合空氣然后在第二透平機中膨脹。在進入機艙之前，從第二透平機中排出的輸出空氣先通過一沉淀器(precipitator)，以除去任何夾帶的水蒸汽。為使第二透平機下游的空氣的溫度保持在冰點之上，要調(diào)節(jié)位于連接第二透平機入口與第二透平機出口的管道中的閥門。在美國專利2628481中描述了一個類似的系統(tǒng)，只不過只具有一只透平機。再循環(huán)的機艙回風先被過濾，再將它分開。該經(jīng)分開的再循環(huán)回風的第一半部分直接與離開透平機的空氣相混合。然后在一水分離器中除去夾帶在該混合空氣中的水蒸汽。離開分離器的空氣流則在進入飛機之前，與經(jīng)再循環(huán)的機艙回風的第二半部分相混合。
美國專利RE32100(美國專利4209993的再版)和4430867均描述了單透平機系統(tǒng)，該系統(tǒng)也使用包含在經(jīng)再循環(huán)的空氣中的熱量，以使透平機下游的空氣的溫度保持在冰點之上。在進入透平機入口之前，壓縮的環(huán)境空氣首先通過一主冷凝器的熱通道，以除去夾帶的水蒸汽。離開冷凝器熱通道的除濕的空氣再在透平機中得以膨脹。在美國專利RE32100中，離開該透平機的輸出空氣則與熱的機艙再循環(huán)回風相混合，并通過冷凝器的冷通道。在美國專利4430867中，離開透平機的輸出空氣，在進入機艙前，首先進入一換熱器的冷通道。通過換熱器的熱通道的流體首先流過一設在機艙內(nèi)的副冷凝器的冷通道。再循環(huán)回風經(jīng)過該副冷凝器的熱通道被放出，在當它流回到機艙之前被除濕。在副冷凝器冷通道中被加熱的流體，在循環(huán)返回換熱器之前，接著流入主冷凝器的冷通道。
揭示在美國專利RE32100和4430867中的諸系統(tǒng)，設置有用于在透平機中膨脹之前從空氣流中除去水蒸汽的裝置，這些系統(tǒng)能使透平機在較有效的低于冰點的溫度下運轉。但是，這些系統(tǒng)，在水蒸氣從透平機輸入流冷凝時，不能回收蒸發(fā)熱，以致導致總的循環(huán)效率和冷卻能量的喪失。
本發(fā)明的目的包括通過回收蒸發(fā)熱提高空氣循環(huán)環(huán)境控制系統(tǒng)的效率，上述蒸發(fā)熱貯存于包含于壓縮的環(huán)境空氣中的水蒸汽中。
本發(fā)明的又一目的包括在這樣的系統(tǒng)中提供一種裝置，用此裝置可在環(huán)境情況變化時改變循環(huán)，以求獲得最佳的系統(tǒng)效率。
按照本發(fā)明，在冷凝進入第一透平機中的壓縮的環(huán)境空氣中的水蒸汽之后，離開系統(tǒng)第一透平機的空氣在一第二透平機中得以膨脹。
還按照本發(fā)明，該系統(tǒng)包括這樣的裝置，它能使部分循環(huán)被旁路，這部分循環(huán)使系統(tǒng)性能被削弱，或當供給該系統(tǒng)的壓縮的環(huán)境空氣的特性變化時使這部分循環(huán)成為不必要了。
由于依靠回收蒸發(fā)熱而實現(xiàn)了提高熱效率，本發(fā)明的諸實施例具有比同樣重量和尺寸的現(xiàn)有技術系統(tǒng)更大些的空氣流量和冷卻能力，或者，具有與較重而大的現(xiàn)有技術系統(tǒng)相等的空氣流量和冷卻能力。
此外，第一和第二透平機的膨脹比可選擇得使第一透平機輸出空氣流保持于冰點之上，而不在該透平機提取的能量將由第二透平機回收。這樣就減輕了對結冰問題的牽掛，只要設一中等的化冰裝置。
在巡航高度遇到的干燥低壓大氣中，本發(fā)明還可有選擇地使第一透平機級和冷凝換熱器旁路開，將空氣流直接通到第二透平機。由于第一透平機的噴嘴面積比第二透平機的小，且壓縮機限制氣流，將此兩部分旁路則能提高通過系統(tǒng)的容積流動速率。即使在較低壓的大氣中，當?shù)诙钙綑C的噴嘴面積太小而不能保證有足夠的質(zhì)量流量時，也可將第二透平機旁路，而達到通過系統(tǒng)的最大流量。
在對下面的、如附圖
表示的本發(fā)明的實施例的詳盡描述后，本發(fā)明的上述和其它目的、特點和優(yōu)點將會更清晰明了。
唯一的附圖是包含有本發(fā)明的一空氣循環(huán)環(huán)境控制系統(tǒng)的示意圖。
如圖所示，被壓縮的環(huán)境空氣9通過一導管10進入一空氣循環(huán)環(huán)境控制系統(tǒng)。該空氣源(未表示出)可是一輔助動力裝置，燃氣透平發(fā)動機的壓縮機部分，或是這兩者。進入系統(tǒng)的壓縮空氣的流動速率是由一與通向主換熱器16的熱通道的導管14相連的閥門12調(diào)節(jié)的。為了在該熱通道中冷卻空氣，較冷的外部環(huán)境空氣17流入一位于飛機(未表示出)外部的開孔20中，并通過一冷卻通道。為了在低空氣流速航行中保持有足夠的流量流過該冷卻通道，有一通過一軸23由一對透平機24，26驅動的風機22通過一導管28與冷卻通道的出口相連，以抽吸被加熱的外部環(huán)境空氣29流過該通道并經(jīng)一導管30排出風機。在該風機排氣導管30中的一閥門32可被調(diào)制，以調(diào)節(jié)冷卻空氣流動速率。
在主換熱器16的熱通道中冷卻之后，主換熱器輸出空氣33經(jīng)過一導管34流到一也是由兩透平機24，26驅動的壓縮機36中。由該壓縮級加熱的壓縮機輸出空氣37，接著通過一導管38流到副換熱器40的熱通道中，在此，該輸出空氣由通過一冷卻通道流入的外部環(huán)境空氣17所冷卻，這情況與上述的主換熱器16的冷卻裝置相似。
離開副換熱器40的熱通道的副換熱器輸出空氣47，接著經(jīng)過一導管48流到一冷凝器46的冷凝通道中。該冷凝器46中的傳熱表面的溫度保持在等于或低于副換熱器輸出空氣47的露點值。副換熱器的輸出空氣從而得到除濕，并隨后經(jīng)過一導管56流入第一透平機24。在第一透平機中膨脹后的輸出空氣經(jīng)過一導管50流入冷凝器46的冷卻通道中，以冷卻傳熱表面和吸收被冷凝的水蒸汽的蒸發(fā)熱。所以，第一透平機24的膨脹比選擇得能使第一透平機輸出空氣49溫度保持得足夠高，以防在冷凝器46的熱通道中結冰，而提供通過系統(tǒng)的足夠的質(zhì)量流動速率。在大多數(shù)使用情況中，所需的第一透平機輸出空氣49的溫度在35°F到40°F(1.7℃到4.4℃)之間，當實際的第一透平機輸出空氣溫度降得低于所需值時，或如利用一些裝置感測到在冷凝器46中出現(xiàn)了冰時，打開一閥門58，除濕的第一透平機輸入空氣59就流經(jīng)一導管60并混和和加熱第一透平機輸出空氣49。
有許多方法可用來感測冰的積聚。可將一壓力傳感器(未表示出)放在冷凝器46的熱通道的入口和出口處。當通過熱通道后的壓降超過某一預定值時，可斷定在熱通道中已形成了相當多的冰，以致限制了流通。另外的辦法是，可設置一與一冷的高壓空氣源相連的節(jié)流孔的輸出端，以將該冷空氣排入到冷凝器46的熱通道中。該節(jié)流孔尺寸要選擇得使通過它的氣流量較少。當監(jiān)測流入該節(jié)流孔的空氣的流動傳感器或壓力傳感器表明壓力增高了或流量減少了時，就可斷定形成了冰并堵住了噴嘴開孔。
隨著副換熱器輸出空氣47流過冷凝器46的冷凝通道，由于冷凝作用，任何與輸出空氣混合的水蒸汽的蒸發(fā)熱被冷卻通道中的第一透平機輸出空氣49所回收了。所以，貯存在冷凝器冷卻通道輸出空氣61中的全部回收的能量是該被回收的蒸發(fā)熱和任何未被第一透平機24回收的能量之和。為了回收該能量，冷凝器冷卻通道輸出空氣61流過一導管63并在第二透平機26中得以膨脹。
為使通入飛機機艙62中的空氣流量和溫度適中，第二透平機輸出空氣65流入一混合器64，在此，該輸出空氣就與再循環(huán)的機艙回風69混合。一風機68經(jīng)過一導管66和一過濾器67從機艙62抽吸該再循環(huán)回風69。風機68的速度是可調(diào)的，以經(jīng)過導管70向混合器64中提供為滿足全部循環(huán)要求所需的再循環(huán)回風69的質(zhì)量流動速率。
按照本發(fā)明的該系統(tǒng)還能隨環(huán)境和工作條件作些改變，如不這樣，將會降低整個系統(tǒng)的操作性和效率。一旦壓縮環(huán)境空氣9的壓力太低，例如由一熱線風速計73測得的質(zhì)量流量低于必須滿足機艙新鮮空氣流量要求的值。此時，一主旁通閥72就打開，氣流繞過冷凝器46和第一透平機24，而使副換熱器輸出空氣47直接經(jīng)過導管74循環(huán)流到第二透平機26中。當飛機巡航高度在較高時，若其外部環(huán)境空氣17以及也包括壓縮環(huán)境空氣9的壓力和濕度較低，主旁通路72通常就打開了。兩只透平機24，26的膨脹比和噴嘴尺寸選擇得能在對其濕度關注的較低飛行高度中的較高壓力環(huán)境空氣條件下使系統(tǒng)性能最佳。
第二透平機用于膨脹事先由第一膨脹機膨脹過的空氣，所以其噴嘴較大，比起第一透平機噴嘴，其節(jié)流作用小的多。所以，直接流到第二透平機26的氣流所受到的限制，比起首先流到冷凝器46和第一透平機24的氣流所受的限制小得多。如減少對氣流的節(jié)制，當壓縮環(huán)境空氣壓力較低時，在數(shù)個周期中可保持較大的容積流動速率，使進入機艙的空氣的質(zhì)量流動速率足夠大。
當主旁通閥72全開，且熱線風速計73指示出壓縮的環(huán)境空氣9的質(zhì)量流動速率尚低于系統(tǒng)指定的最低速率時，副旁通閥76也就打開。除了第一透平機24和冷凝器46外，氣流還繞過第二透平機26，而使副換熱器輸出空氣47直接經(jīng)過一第二旁通導管78流入混合器64。在這情況下，由于透平機24，26均不轉動，所以壓縮機36和風機22也停轉。此時，壓縮機36用作一節(jié)流器，壓縮機出口端的壓力低于入口壓力。這樣就使一位于一連接壓縮機入口和出口的導管44中的單向閥42打開，使主換熱器輸出空氣33繞過壓縮機而直接流入副換熱器40中。因此，在這些條件下，壓縮的環(huán)境空氣9直接從主換熱器16流到副換熱器40，并再流入混合器64中，使通過系統(tǒng)的容積流量最大。
即使當壓縮的環(huán)境空氣9的質(zhì)量流動速率足夠大，第二旁通閥76能被調(diào)節(jié)，以調(diào)節(jié)冷卻性能和流過系統(tǒng)的容積流量。當容積流動速率或離開第二透平機出口的空氣65的溫度太低，第二旁通閥76就會打開。
盡管本發(fā)明已公開并對其實施例作了描述，那些熟悉本領域的技術人員會懂得只要不離開本發(fā)明的精神實質(zhì)和范圍，在本發(fā)明中作些改變，省略和增加某些內(nèi)容均是可以的。
權利要求
1.一種在封閉罩內(nèi)進行空氣調(diào)節(jié)用的空氣循環(huán)環(huán)境控制系統(tǒng)，包括將壓縮的環(huán)境內(nèi)的帶水蒸汽的空氣除濕用的裝置；將已被除濕的輸出空氣從所述除濕裝置送給一第一透平機用的裝置；將輸出空氣從所述第一透平機送給一所述除濕裝置的冷卻通道用的裝置；以及將輸出空氣從所述冷卻通道送給一第二透平機用的裝置。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一透平機有一膨脹比，使所述第一透平機輸出空氣的溫度在所述壓縮環(huán)境空氣的露點與所述除濕裝置的冰點之間。
3.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括旁路一部分所述除濕的輸出空氣通過所述第一透平機用的裝置。
4.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括將一部分所述壓縮環(huán)境空氣直接送給所述第二透平機用的裝置。
5.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括將一部分所述壓縮環(huán)境空氣直接送給所述第二透平機的出口用的裝置。
6.一種空氣循環(huán)控制系統(tǒng)包括一被壓縮的環(huán)境內(nèi)的帶水蒸汽的空氣源;一接收和冷卻所述壓縮環(huán)境空氣的主換熱器，所述主換熱器在與所述壓縮環(huán)境空氣的熱交換關系中也被提供了較冷的環(huán)境空氣;一從所述主換熱器接收輸出空氣的壓縮機，所述壓縮機由一第一和一第二透平機所驅動;一接收和冷卻來自所述壓縮機的輸出空氣的副換熱器，所述副換熱器在與所述壓縮機輸出空氣的熱交換關系中也被提供了較冷的環(huán)境空氣;一接收和除去來自從所述副換熱器出來的輸出空氣的水蒸汽的冷凝器，所述冷凝器在與所述副換熱器輸出空氣的熱交換關系中也被提供了一種冷卻劑流體;所述第一透平機接收和膨脹來自所述冷凝器的輸出空氣;使所述來自所述第一透平機的輸出空氣流過所述冷凝器，以用作所述冷卻劑流體用的裝置;以及所述第二透平機接收和膨脹流過所述冷凝器的空氣，以用作所述冷卻劑流體。
7.如權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括監(jiān)測在所述冷凝器中的結冰情況用的裝置;以及用于響應所述結冰監(jiān)測裝置，以旁路一部分通過所述第一透平機的所述冷凝器輸出空氣的裝置。
8.如權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括確定所述壓縮環(huán)境空氣的質(zhì)量流動速率用的裝置。
9.如權利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于響應所述質(zhì)量流動速率確定裝置，以將一部分所述副換熱器輸出空氣直接送到所述第二透平機入口的裝置。
10.如權利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于響應所述質(zhì)量流動速率確定裝置，以將一部分所述副換熱器輸出空氣直接送到所述第二透平機出口的裝置。
11.一種在一封閉罩內(nèi)的空氣調(diào)節(jié)方法包括的諸步驟為從被壓縮的環(huán)境空氣冷凝和除去水蒸汽;在一第一透平機中膨脹在所述冷凝步驟中除濕的空氣;在所述冷凝步驟中將在所述第一透平機中膨脹的空氣用作冷卻劑;以及在一第二透平機中膨脹在所述冷凝步驟中被加熱的所述冷卻劑。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，還包括評估所述壓縮環(huán)境空氣的質(zhì)量流動速率的步驟。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，還包括在所述壓縮環(huán)境空氣的質(zhì)量流動速率降至低于一第一預選值時，將所述壓縮環(huán)境空氣直接送到所述第二透平機入口的步驟。
14.如權利要求12所述的方法，其特征在于，還包括在所述壓縮環(huán)境空氣的質(zhì)量流動速率降至低于一第二預選值時，將所述壓縮環(huán)境空氣直接送到所述第二透平機出口的步驟。
全文摘要
在一個空氣循環(huán)環(huán)境控制系統(tǒng)中，被壓縮的環(huán)境空氣先在第一透平機中膨脹，再由冷凝器將它所含的水蒸汽除去。然后將來自第一透平機的已冷卻的輸出空氣在冷凝器中用作冷卻劑，以在該處吸收被冷凝的水蒸汽的蒸發(fā)熱。在通過冷凝器后，被加熱了的冷卻劑在第二透平機中膨脹。當壓縮環(huán)境空氣壓力降得低于預定值時，那些削弱系統(tǒng)性能或成為不必要的部分循環(huán)被旁路繞開。
文檔編號B64D13/08GK1060270SQ9110441
公開日1992年4月15日 申請日期1991年6月24日 優(yōu)先權日1990年8月17日
發(fā)明者約翰·L·沃納 申請人:聯(lián)合技術股份有限公司