CN106240827A - 用于平行冲压热交换器的再循环系统 - Google Patents

Abstract

一种系统包括入口管线，所述入口管线被构造来接收从发动机的低压位置流动至腔室的介质；多个热交换器，其被构造来从所述入口管线接收所述介质；以及阀，其定位在所述多个热交换器上游。所述阀被构造来跨所述多个热交换器中的至少第一热交换器和第二热交换器并行地划分所述介质。再循环空气系统被构造来供应再循环。

Description

用于平行冲压热交换器的再循环系统

背景技术

一般而言，关于飞机的当前空调系统，机舱加压和冷却通过巡航时的发动机排出压力来提供动力。例如，来自飞机的发动机的加压空气通过改变加压空气的温度和压力的一系列系统来提供至机舱。为了对加压空气的这种制备提供动力，唯一能源是空气自身的压力。因此，当前空调系统在巡航时始终要求相对高的压力。不幸的是，鉴于航天工业趋向于更有效的飞机的整体趋势，相对高的压力关于发动机燃料燃烧提供有限的效率。

发明内容

根据一个方面，提供一种系统。所述系统包括入口管线，所述入口管线被构造来接收从发动机的低压位置流动至舱室的介质；多个热交换器，其被构造来从入口管线接收介质；以及阀，其定位在多个热交换器上游。所述阀被构造跨多个热交换器中的至少第一热交换器和第二热交换器并行地划分介质。再循环空气系统被构造来将再循环空气从舱室供应至多个热交换器上游的入口管线。

除上述特征中的一个或多个之外，或作为替代方案，另外的实施方案可包括：其中再循环空气系统包括再循环排出管线，所述再循环放出管线流体地联接在舱室与入口管线之间；舱室供应管线，其被构造来将介质从多个热交换器供应至舱室；其中所述再循环空气系统包括舱室再循环管线，所述舱室再循环管线流体地联接在舱室与舱室供应管线之间，所述舱室再循环管线被构造来将再循环空气从舱室供应至舱室供应管线；其中所述再循环空气系统包括用以将再循环空气的第一部分选择性地供应至舱室再循环管线的第一再循环阀，和用以将再循环空气的第二部分选择性地供应至入口管线的第二再循环阀；其中离开次级热交换器的介质流通过第二阀的启动而组合，所述第二阀转送离开第一热交换器的介质流；其中阀处的介质的第一温度在所述介质跨第一热交换器和第二热交换器并行地流动时降低至第二温度；其中冲压空气冷却将足够的能量提供至多个热交换器，以将第一温度降低至第二温度；其中发动机的低压位置处的介质的压力略微高于舱室压力；与多个热交换器连通的压缩装置，所述压缩装置被构造来调节介质的压力，其中所述介质在阀跨至少第一热交换器和第二热交换器并行地划分介质时绕过所述压缩装置；和/或其中所述系统是飞机的环境控制系统，其中所述介质是从所述飞机的发动机排出的空气，并且其中所述舱室是所述飞机的机舱。

根据另一方面，提供执行热交换器冷却模式的方法。所述方法包括：通过具有第一阀的入口管线接收从发动机的低压位置流动至舱室的介质，以及通过定位在多个热交换器上游的第一阀跨多个热交换器中的至少第一热交换器和第二热交换器并行地划分介质。所述方法还包括：通过第二阀组合离开第二热交换器的介质流与离开第一热交换器的介质流，以及通过再循环空气系统将再循环空气从舱室再循环至第一阀和多个热交换器上游的入口管线，以随后混合所述再循环空气和所述介质。

除上述特征中的一个或多个之外，或作为替代方案，另外的实施方案可包括：根据通过第二阀进行的离开第二热交换器的介质流与离开第一热交换器的介质流的组合而绕过与多个热交换器连通的压缩装置；在介质并行地跨第一热交换器和第二热交换器流动时使第一阀处的介质的第一温度降低至第二温度；将冲压空气冷却提供至多个热交换器，以将第一温度降低至第二温度；其中发动机的低压位置处的介质的压力略微高于舱室压力；和/或其中第一阀、第二阀和多个热交换器包括在飞机的环境控制系统中，其中介质是从所述飞机的发动机排出的空气，并且其中舱室是所述飞机的机舱。

通过本公开的技术实现额外特征和优点。本公开的其他实施方案和方面在本文中进行了详细描述，并且被视为所要求保护的公开的一部分。为了更好地理解本公开及其优点和特征，参考描述和附图。

附图说明

被认为是本公开的主题在本说明书完结处的权利要求书中特别地指出并且明确要求保护。本公开的前述和其他特征以及优点自以下结合附图进行的详细描述显而易见，在附图中：

图1为根据一个实施方案的环境控制系统的示意图；

图2为根据另一个实施方案的环境控制系统的示意图；以及

图3为例示控制图1和图2中所示的系统的示例性方法的流程图。

具体实施方式

参考附图，本文参考各图通过举例而非限制的方式呈现所公开的设备和方法的一个或多个实施方案的详细描述。

如以上所指出，相对高的压力关于发动机燃料燃烧提供有限的效率。因此，需要环境控制系统，所述环境控制系统跨多个热交换器并行地提供流体介质，以在高发动机燃料燃烧效率下提供机舱加压和冷却。

一般而言，本文所公开的本公开的实施方案可包括系统，所述系统包括多个热交换器和介质，所述介质流过所述多个热交换器，其中所述介质并行地通过多个热交换器从发动机的低压位置排出至舱室中。发动机的低压位置提供初始压力水平的介质，所述初始压力水平接近一旦介质处在舱室内就呈现的介质压力(例如，舱室压力)。相比之下，常规系统利用比压力舱室大得多的初始压力水平。例如，如果所需舱室压力为5 psia，则常规系统将从发动机的较高压位置排出提供舱室压力三倍的初始压力水平(例如，15 psia)的空气。另外，低压位置处的介质的压力可略微高于或略微低于舱室压力(例如，当舱室压力为5 psia时沿4 psia至7 psia的范围的任何值)。

以这种低压从低压位置排出介质引起比从高压位置排出空气更少的燃料燃烧。然而，因为介质以这个相对低的初始压力水平开始并且因为在多个热交换器上会出现压力降，所以在介质流过所述多个热交换器时，介质将下降到低于舱室压力。当介质的压力低于舱室的压力时，介质将不会流入舱室中以提供加压和温度调节。因而，系统将介质流分成分流，以使得介质可并行地进入至少两个热交换器中，以允许连接至低压位置。

图1例示系统100，其中流体介质(例如，空气)从入口102通过阀106、108，初级热交换器110，次级热交换器120和压缩装置130而流动至舱室104。

一般而言，系统100将流体介质供应至任何环境(例如，舱室104)，从而提供对所述环境的调节和/或监控。在一个实施方案中，系统100是如飞机的交通工具的任何环境控制系统，所述环境控制系统为飞机的机组人员和乘客提供空气供应、热控制和机舱加压。环境控制系统可还包括航空电子设备冷却、烟雾检测和/或灭火。另外，针对飞机实例，为了舒适性和加压两者，系统100将如加压空气的流体介质供应至飞机的驾驶舱(例如，舱室104)。空气通过从飞机发动机的压缩机级和/或直接从外部空气(例如，经由冲压空气系统)“排出”而在入口102处供应至系统100。这种“排出空气”的温度和压力取决于压缩机级和飞机发动机的每分钟转数而广泛地变化。为了实现所需温度，排出空气在其穿过热交换器110、120时被冷却。为了实现所需压力，排出空气在其穿过装置130时被压缩。应注意，系统100与飞机发动机的相互作用影响需要通过飞机发动机的多少燃料燃烧来执行与所述相互作用相关的操作，如供应加压空气。

如阀106、108的阀为通过打开、关闭或部分地阻碍系统100的管子、管道等内的各种通道来调节、引导和/或控制流体介质(例如，气体、液体、流化固体或浆料，诸如排出空气)流的装置。阀可通过致动器来操作，使得系统100的任何部分中的任何介质的流速可被调节至所需值。例如，阀106使来自入口102的介质流能够跨初级热交换器110和次级热交换器120划分。另外，阀108使来自初级热交换器110的介质流能够被运送到压缩装置130和/或舱室104。

热交换器(例如，初级热交换器110和次级热交换器120)是为了一种介质到另一种介质的高效热传递而构造的设备。热交换器的实例包括套管式、壳管式、板式、板壳式、绝热轮式、板翅式、枕板式和流体热交换器。继续以上飞机实例，由风扇推进(例如，经由推动或拉动方法)和/或飞行期间冲压的空气以可变冷却空气流吹过热交换器，以控制排出空气的最终空气温度。

压缩装置130(例如，如下所述的空气循环机)是调节介质的压力(例如，增加气体的压力)的机械装置。压缩机的实例包括离心式、斜流式或混流式、轴流式、往复式、离子液体活塞式、旋转螺旋式、旋叶式、涡旋式、膜片式、气泡式压缩机。另外，压缩机通常由电动机或蒸汽或燃气涡轮驱动。

在一个操作中，系统100可通过启动阀108来绕过压缩装置130，以将介质流从入口102划分到初级热交换器110和次级热交换器120中(例如，线A)。两个热交换器110、120冷却其相应的介质部分。然后，离开次级热交换器120的介质流通过阀108的启动来与离开初级热交换器110的介质流组合(例如，线B)。这个操作可被称为使介质的压力降低至接近舱室压力的热交换器冷却模式。

鉴于以上飞机实例，现将参考图2描述图1的系统100。图2例示环境控制系统200(例如，系统100的一个实施方案)，除了图1的先前描述的物品之外，所述环境控制系统还包括外壳202，阀212、214、216，压缩装置130(其包括压缩机240、涡轮242、风扇244和轴杆246)和高压水分离器260，其中的每一个经由管子、管道、导管等连接，使得排出空气在入口102(例如，飞机的发动机的高压位置或低压位置)处被接受并且被提供至舱室104(例如，机舱、驾驶舱等)。

环境控制系统200是飞机中为飞机的机组人员和乘客提供空气供应、热控制和机舱加压的环境控制系统的实例。外壳202是使用由运动中的飞机产生的动态空气压力来增加外壳内的静态空气压力的冲压系统的冲压室的实例。阀212、214、216是以上所描述的阀的实例。

压缩装置130可为调节介质的压力(例如，增加排出空气的压力)的空气循环机。涡轮242是经由轴杆246驱动压缩机240和风扇244的机械装置。压缩机240是压缩从第一热交换器(例如，初级热交换器110)接收的排出空气的机械装置。风扇244是经由推动或拉动方法推进空气通过外壳202，从而以可变冷却空气流跨过热交换器的机械装置。压缩机240、涡轮242和风扇244一起调节压力，并且例示例如空气循环机(例如，压缩装置130)可作为三轮式空气循环机操作。反过来，三轮式空气循环机可包括部件的增添，所述部件如动力涡轮，所述动力涡轮利用来自舱室104的废气来将额外动力提供至压缩装置130。

高压水分离器260是暂时地或永久地执行以上热交换器的操作和/或从排出空气去除水的过程的机械装置。

在一个操作中，在入口102处以比最终流速、压力(例如，12 psia)和温度大得多的初始流速、压力(例如，35 psia)和温度从飞机的发动机的高压位置接受排出空气。通过凭借冷却降低温度的初级热交换器110将排出空气馈送到压缩机240，所述压缩机然随后压力升高。然后，由于阀214、216关闭，通过也凭借冷却降低温度的次级热交换器120将排出空气馈送到高压水分离器260。所得冷、干燥空气随后经由冷却空气管线270供应至舱室104。

在另一个操作中，冷却模式操作可由环境控制系统200执行。现将关于图3描述冷却模式操作。在示例性实施方案中，图3例示过程流300，其始于方框310，其中在入口102处以接近最终流速、压力和温度的初始流速、压力(例如，13 psia)和温度从飞机的发动机的低压位置接受排出空气。然后，在方框320处，由于阀106、108的启动，跨初级热交换器110和次级热交换器120两者(例如，并行地)划分排出空气，使得阀106处的排出空气的第一温度统共同下降至可处于或接近舱室104的温度的第二温度。也就是说，环境控制系统200可通过启动阀108来绕过压缩装置130，以将来自入口102的排出空气流划分到初级热交换器110和次级热交换器120(例如，线A)。两个热交换器转而冷却其相应的排出空气部分。然后，在方框330处，离开次级热交换器120的排出空气流通过阀108的启动与离开初级热交换器110的排出空气流组合(例如，线B)。一般而言，冷却模式操作可被称为将排出空气的温度降低到舱室所要求的温度的热交换器冷却模式。当热交换器110、120的冲压空气冷却是充分的(例如，冲压空气将足够的能量提供至热交换器110、120以降低排出空气的温度)，并且排出空气的压力是足够高的以在不需要压缩装置130的情况下通过环境控制系统200维持压力时，可利用冷却模式操作。

在图2中所例示的示例性实施方案中，环境控制系统200包括再循环空气系统400，所述再循环空气系统通常包括风扇402、第一阀404、第二阀406、舱室再循环管线408和再循环排出管线410。风扇402被构造来通过管线408和410供应来自舱室104的再循环空气。第一阀404被构造来通过管线408选择性地供应再循环空气，并且第二阀406被构造来通过管线410选择性地供应再循环空气。舱室再循环管线408流体地联接在舱室104与机舱供应管线270之间，并且被构造来供应来自舱室104的再循环空气，以与机舱供应管线270中的冷、干燥空气混合。再循环排出管线410流体地联接在舱室104与入口管线102之间，并且被构造来供应来自舱室104的再循环空气，以与供应至入口管线102的排出空气混合。

系统200可在第一阀404打开并且第二阀406关闭的第一冷却模式中操作。风扇402通过再循环管线408将来自舱室104的再循环空气的第一部分推进到冷却空气管线270。再循环空气的第一部分随后与管线270中的冷、干燥空气混合，并且被供应至舱室104。

当冲压空气温度为低时，系统200可在第二、低压、热交换器冷却唯一模式中操作，例如在巡航高度处时。在第二冷却模式中，第二阀406打开，并且风扇402通过再循环放出管线410将来自舱室104的再循环空气的第二部分推进到入口管线102。再循环空气的第二部分随后在发动机和/或APU下游并且在阀106、初级热交换器110和次级热交换器120上游点的点处与排出气体混合。在这个模式中，初级热交换器110和次级热交换器120两者接收与再循环空气混合的排出气体，并且空气混合物随后在热交换器110和120下游重新组合。混合物随后被供应至管线270，与来自管线408的再循环空气混合，并且被供应至舱室104。

因而，当在第二模式中操作时，热交换器110、120的入口处的气体压力略微(例如，1 psi至2 psi)高于机舱压力。将再循环空气的第二部分与热交换器110、120上游的排出气体混合降低冲压空气流和飞机阻力。另外，如果单独利用热交换器(未示出)来冷却再循环空气，则将再循环空气与放出气体混合减轻了冻结再循环空气的风险。因此，系统200不需要单独热交换器来冷却再循环空气。

本文参考根据本公开的实施方案的方法、设备和/或系统的流程图图解、示意图和/或方框图描述了本公开的各方面。另外，已出于例示目的呈现了本公开的各种实施方案的描述，但所述描述并不意图是穷尽的或限于所公开的实施方案。在不脱离所描述实施方案的范围和精神的情况下，本领域普通技术人员将是显而易见许多修改和变化。选择本文所使用的术语以最好地解释实施方案的原理、对在市场中发现的技术的实际应用或技术改进，或使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施方案。

本文所使用的术语仅是为了描述特定实施方案的目的，并且不意图限制本公开。如本文所使用，单数形式“一个”、“一种”和“所述”意图也包括复数形式，除非上下文另外明确地指出。应进一步理解，术语“包括(comprises和/或comprising)”在本说明书中使用时规定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或增添一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。

本文所描绘的流程图只是一个实例。在不脱离本公开的精神的情况下，可存在对本文所描述的这个图或步骤(或操作)的许多变化。例如，可以按不同顺序执行所述步骤，或可以增添、删除或修改步骤。所有的这些变化被视为所要求保护的公开的一部分。

虽然已经描述了本公开的优选实施方案，但应理解，现在和将来的本领域的技术人员可以做出落入以下权利要求书的范围内的各种改进和增强。这些权利要求应被解释为维持对首次描述的本公开的适当保护。

Claims (15)

1. 一种系统，其包括：

入口管线，其被构造来接收从发动机的低压位置流动至舱室的介质；

多个热交换器，其被构造来从所述入口管线接收所述介质；

阀，其定位在所述多个热交换器上游，所述阀被构造来跨所述多个热交换器中的至少第一热交换器和第二热交换器并行地划分所述介质；以及

再循环空气系统，其被构造来将再循环空气从所述舱室供应至所述多个热交换器上游的所述入口管线。

2. 如权利要求1所述的系统，其中所述再循环空气系统包括再循环排出管线，所述再循环排出管线流体地联接在所述舱室与所述入口管线之间。

3. 如权利要求2所述的系统，其还包括舱室供应管线，所述舱室供应管线被构造来将所述介质从所述多个热交换器供应至所述舱室。

4. 如权利要求3所述的系统，其中所述再循环空气系统包括舱室再循环管线，所述舱室再循环管线流体地联接在所述舱室与所述舱室供应管线之间，所述舱室再循环管线被构造来将再循环空气从所述舱室供应至所述舱室供应管线。

5. 如权利要求4所述的系统，其中所述再循环空气系统包括：

第一再循环阀，其用来将再循环空气的第一部分选择性地供应至所述舱室再循环管线；以及

第二再循环阀，其用来将再循环空气的第二部分选择性地供应至所述入口管线。

6. 如权利要求1所述的系统，其中离开所述第二热交换器的所述介质的流通过第二阀的启动而组合，所述第二阀转送离开所述第一热交换器的所述介质的流。

7. 如权利要求1所述的系统，其中所述阀处的所述介质的第一温度在所述介质并行地跨所述第一热交换器和所述第二热交换器流动时降低至第二温度。

8. 如权利要求7所述的系统，其中冲压空气冷却将足够的能量提供至所述多个热交换器，以将所述第一温度降低至所述第二温度。

9. 如权利要求1所述的系统，其中发动机的所述低压位置处的所述介质的压力略微高于舱室压力。

10. 如权利要求1所述的系统，其还包括：

与所述多个热交换器连通的压缩装置，所述压缩装置被构造来调节所述介质的压力，

其中所述介质在所述阀跨至少所述第一热交换器和所述第二热交换器并行地划分介质时绕过所述压缩装置。

11. 如权利要求1所述的系统，其中所述系统是飞机的环境控制系统，

其中所述介质是从所述飞机的发动机排出的空气，并且

其中所述舱室是所述飞机的机舱。

12. 一种执行热交换器冷却模式的方法，所述方法包括：

通过具有第一阀的入口管线接收从发动机的低压位置流动至舱室的介质；

通过定位在多个热交换器上游的所述第一阀跨所述多个热交换器中的至少第一热交换器和第二热交换器并行地划分所述介质；

通过第二阀组合离开所述第二热交换器的所述介质的流与离开所述第一热交换器的所述介质的流；以及

通过再循环空气系统将再循环空气从所述舱室再循环至所述第一阀和所述多个热交换器上游的所述入口管线，以随后混合所述再循环空气和所述介质。

13. 如权利要求12所述的方法，其还包括：

根据通过所述第二阀进行的离开所述第二热交换器的所述介质的所述流与离开所述第一热交换器的所述介质的所述流的所述组合来绕过与所述多个热交换器连通的压缩装置。

14. 如权利要求12所述的方法，其还包括：

在所述介质并行地跨所述第一热交换器和所述第二热交换器流动时使所述第一阀处的所述介质的第一温度降低至第二温度。

15. 如权利要求12所述的方法，其还包括：

将冲压空气冷却提供至所述多个热交换器，以将所述第一温度降低至所述第二温度。