Brevet FR2486210A1 — publié le 19820108

Système de conditionnement d'air à c4ea d'air. La présente invention concerne les systèmes de condition- nement d'air à cycle d'air. Les systèmes de conditionnement d'air à cycle d'air sont utilisés de façon intensive à bord des avions et ils produisent le refroidissement d'une alimentation convenable en air, à une température élevée, en effectuant une détente de cet air à tra- vers une turbine et grâce à un transfert de chaleur versun ou plusieurs échangeurs de chaleur. Cependant, on cherche toujours à réaliser des systèmes de conditionnement d'air ayant une plus grande capacité de refroidissement pour une consommation non augmentée de l'air d'alimentation prélevé sur les moteurs des avions. Il est bien connu que, lorsque de l'air est détendu à I5 travers une turbine, sa température est abaissée et qu'on peut obtenir des températures inférieures à 00C. Il est également bien connu que, par suite des variations du degré d'humidité de l'air d'alimentation, lequel provient en général de l'atmosphère, il peut se former ou non de la glace à la sortie de la turbine, en fonction des conditions atmosphériques régnantes; en conséquence, de façon à éviter un mauvais fonction- nement de la turbine, et, par suite, de tout le système dont la turbine constitue une partie, à cause de la formation de glace, il est souvent prévu que la température de l'air fourni par la turbine soit sensiblement à une température de 0C, ou bien que, en variante, la formation de glace soit empêchée par un réchauffage des organes de sortie de la turbine, afin d'éviter une accumulation de glace sur ces organes. Il est égaement de pratique courante, dans ces systèmes de conditionnement d'air, de prévoir une extraction de l'eau contenue dans l'air d'alimen- tation ou dans l'air prélevé sur les moteurs, de façon à établir des conditions qui sont moins favorables à la formation de la glace. On sait également que, par une pulvérisation d'eau dans 2. 2486210 l'air de refroidissement, à l'entrée d'un échangeur de chaleur, on obtient une extraction de chaleur plus éfficace de la charge d'air.C 'tpourquoi, dans de nombreux systèmes de conditionnement d'air à cycle d'- air connus, l'eau qui est extraite de l'air d'alimentation est injectée dans l'air dynamique de refroidis- sement des prérefroidisseurs et des échangeurs de chaleur primaires pour refroidir l'air d'alimentation. De récents perfectionnements ont permis d'obtenir une extraction d'eau améliorée, dans de tels systèmes, grâce à l'adoption de moyens d'extraction, désignés sous le terme de séparateurs d'eau à haute pression, qui condensent l'eau en amont de l'entrée de la turbine, à un endroit o l'air d'ali- mentation est à la pression la plus élevée du système, ce qui autorise à tirer parti de la température de point de rosée plus I5 élevée. Dans ces moyens de séparation, un échangeur-condenseur est agencé pour recevoir l'air qui est acheminé vers une turbine de détente en tant que fluide passant par la voie principale de l'échangeur et ensuite pour faire passer le même air en tant que fluide de refroidissement après son refoulement par la turbine. Un tel agencement conduit à une température sensiblement inférieure à 00C. à la sortie de la turbine, mais du fait que la totalité de l'eau n'est pas extraite, les températures à la sortie du condenseur sont normalement limitées à, environ, -10WC. Si, après travail, l'air quitte le système à une température de, parDxemple, 500C, le gain en refroidisse- ment provenant de l'utilisation d'air fourni à -100C est faible si on le compare aux systèmes conventionnels dans lesquels cet air est maintenu juste au-dessus de 00C. Cependant, dans les systèmes connus jusqu'à présent, on n'a jamais utilisé de la manière la plus efficace l'eau extraite, car la chaleur latente d'évaporation n'est pas utili- sée à son potentiel total. La présente invention permet de réaliser un système de conditionnement d'air à cycle d'air dans lequel on obtient un gain additionnel de refroidissement, grâce à une utilisation efficace de l'eau extraite de l'air d'alimentation sous haute pression. L'invention a également pour'but d'obtenir un refroidisse- ment additionnel dans un système de conditionnement d'air à cycle d'air en utilisant sensiblement le potentiel total de la chaleur latente d'évaporation de l'eau extraite d'une alimentation d'air sous haute pression. L'invention a pour objet un système de conditionnement I0 d'air à cycle d'air, comprenant une turbine de détente qui fournit un flux d'air détendu pour conditionner une charge thermique, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'extrac- tion d'eau de l'air d'alimentation à haute pression en amont de la turbine de détente, et des moyens pour injecter l'eau extraite I5 dans l'entrée du fluide de refroidissement d'un échangeur de chaleur qui reçoit le flux d'air d'alimentation détendu de la turbine après que cet air ait soustrait de la chaleur à ladite charge thermique. Suivant une forme de réalisation de l'invention, de l'air prérefroidi passe à travers un compresseur, monté sur le même arbre que la turbine de détente, puis parvient ensuite à l'entrée de la turbine après être passé par la voie principale de l'échangeur de chaleur dans lequel cet air est refroidi par le flux de l'air d'alimentation détendu par la turbine, après que cet air ait extrait de la chaleur d'une charge thermique l'eau extraite de l'alimentation d'air sous haute pression, en amont de l'entrée de la turbine étant injectée dans l'alimen- tation d'air détendu par la turbine au moment o cet air pénètre dans l'entrée du fluide de refroidissement de l'échangeur de chaleur. Dans ce système, la chaleur latente d'évaporation de l'eau extraite est utilisée pour condenser l'eau contenue dans l'air à haute pression fourni par le compresseur à la turbine, 4. ce qui permet d'obtenir des performances sensiblement équiva- lentes à celles obtenues avec de l'air sec, dans la gamme des humidités ambiantes. Suivant une autre forme de réalisation de l'invention, le courant d'air d'alimentation détendu par la turbine, après avoir extrait de la chaleur d'une charge thermique telle qu'un compartiment ou une cabine d'avion, passe à travers l'échangeur de chaleur de façon à être en relation d'échange de température avec du fluide circulant dans une boucle séparée, afin de refroidir une autre charge thermique, Suivant cette forme de réalisation, l'eau extraite de l'air d'alimentation sous haute pression en amont de l'entrée de la turbine est injectée dans l'air d'alimentation détendu par la turbine lorsque cet air pénètre dans l'entrée du fluide de refroidissement de l'échangeur de chaleur. Des systèmes de conditionnement connus comportent des moyens pour extraire l'eau de l'air sous haute pression en amont de l'entrée de la turbine, l'eau extraite étant injectée dans l'entrée du fluide de refroidissement d'un échangeur de chaleur à air dynamique, si bien que l'efficacité de l'évapora- tion de l'eau est normalement limitée par le rapport élevé des débits du fluide de refroidissement et de la charge à refroidir. La présente invention prévoit, au contraire, un système dans lequel les deux débits massiques,à travers l'échangeur de chaleur dans lequel est injectée l'eau extraite,sont les mêmes grRce à quoi on obtient les caractéristiques optimales de transfert de chaleur en tirant le meilleur parti de la chaleur latente d'évaporation de l'eau extraite. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la des- cription détaillée qui va suivre et à l'examen des dessins qui montrent à titre d'exemples non limitatifs plusieurs modes de réalisation de l'invention. 5. 2486210 La figure 1 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un système de conditionnement d'air suivant l'invention. La figure 2 est une représentation schématique d'un autre mode de réalisation de l'invention. Le système de conditionnement d'air à cycle d'air 10, représenté sur la figure 1, comprend un-ensemble turbocompres- seur 11 à montage en boucle comportant une turbine de détente d'air froid 12 accouplée fonctionnellement avec un compresseur I0 radial 13 par l'intermédiaire de conduites fluides 14 et d'un arbre commun. Le cir.cuit des conduites 14 achemine l'air en provenance du compresseur 13 vers la turbine 12, par l'intermédiaire de la voie principale d'un échangeur de chaleur et d'un extracteur d'eau à tourbillons 16. L'extracteur d'eau I5 16 est raccordé avec un dispositif injecteur 17 qui est agencé pour pulvériser de l'eau dans l'entrée de la voie du fluide de refroidissement de l'échangeur de chaleur 15, cette eau provenant de la bâche du séparateur d'eau 16. Le compresseur 13 reçoit une alimentation d'air sous pression, à travers un échangeur de prérefroidissement 18, à partir d'une source d'air telle que l'étage haute pression ou l'étage intermédiaire d'un turbo moteur d'avion (non représenté}. La sortie de la turbine 12 est raccordée à l'entrée d'un compartiment ou d'une cabine 19, à travers la voie de passage du fluide de refroidis- sement d'un échangeur de chaleur 20, ou échangeur de charges thermiques, cette voie de passage faisant partie d'un circuit 21. Une conduite 22, destinée à l'évacuation hors du compartiment 19 de l'air d'alimentation détendu par la turbine,est raccordée à la voie de passage du fluide de refroidissement de l'échangeur de chaleur en boucle 15, audelà duquel cet air est évacué à l'extérieur. La voie principale de l'échangeur de chaleur 20 fait partie d'un circuit fermé de circulation qui comprend une charge thermique 23 telle qu'un compartiment pour équipements électroniques. Le fluide dans ce circuit peut être gazeux ou 6. liquide et est entraîné en circulation par un ventilateur ou une pompe 24, suivant le cas. Le circuit 21, lorsqu'il est raccordé à une cabine 19, comporte de préférence un dispositif inducteur de flux 25 pour recycler une partie de l'air de la cabine. Lorsque le système 10 est en fonctionnement, de l'air sous pression est fourni par la source d'air non représentée, et est refroidi en passant à travers le prérefroidisseur 18 avant de pénétrer dans l'ensemble turbo compresseur à montage en J0 boucle 11, à partir duquel il est détendu pour atteindre des températures inférieures à 0, par exemple -50 à -600C, avant de pénétrer dans l'échangeur 20 de la charge thermique. Il se produit dans cet échangeur de chaleur un transfert de chaleur considérable par dissipation de la chaleur de la charge thermique 23, si bien que la température de l'air d'alimentation détendu par la turbine peut être de l'ordre de 0C à -100C, ce qui fait que cet air, lorsqu'il est amené à une cabine 19, a besoin de voir sa température encore relevée jusqu'à un niveau acceptable par les passagers. Ce relèvement de tempéra- ture est réalisé par un recyclage d'une partie de l'air de la cabine qui est entraîné par le dispositif inducteur de flux disposé en amont de l'entrée de la cabine. L'air d'alimentation détendu par la turbine, après avoir été évacué de la cabine 19, est acheminé, par la conduite 22 jusqu'à l'échangeur de chaleur 15 dans lequel il joue le rCle de fluide de refroidissement vis-à- vis de l'air d'alimentation à haute pression qui est fourni par le compresseur 13. L'effica- cité du transfert de chaleur de cet agencement est augmentée en pulvérisant dans l'air détendu, à l'entrée du fluide de refroi- dissement de l'échangeur de chaleur 15, la totalité de l'eau qui a été préalablement extraite de l'air d'alimentation à haute pression par le séparateur d'eau 16. Comme sensiblement la totalité de l'eau est extraite de l'air d'alimentation, puis y est ensuite renvoyée, l'utilisation la plus efficace 7. 2486210 de la chaleur latente pour l'évaporation de l'eau est permise, ce qui conduit à des performances sensiblement équivalentes à celles qui pourraient être obtenues avec de l'air sec, dans toute la gamme de l'humidité ambiante. Ce fait, en même temps que l'utilisation d'air à une température sensiblement inférieure à 0 en tant qu'agent de refroidissement,réduit les besoins en air prélevé sur les moteurs de l'avion. Le système de conditionnement d'air 30 qui est représenté sur la figure 2 est une variante de celui qui vient d'être dé- I0 crit, mais il procure une meilleure autorégulation et il a une capacité inhérente à s'ajuster de lui-même en fonction des conditions d'humidité de l'air d'alimentation sous pression. Le système 30 comprend un ensemble turbocompresseur/échangeur de chaleur 31 à montage en boucle. Cet ensemble comprend une I5 turbine de détente à air 32 et un compresseur radial 33 qui sont montés sur un arbre commun, la sortie du compresseur étant raccordée à l'entrée de la turbine par l'intermédiaire d'un circuit 34. Ce circuit 34 comprend, en allant ver l'aval, ]s voiesprincipalesd'un refroidisseur intermédiaire 35, d'un échangeur régénérateur 36, d'un réchauffeur 37, d'un échangeur- condenseur 38 et comprend la voie du fluide de refroidissement du réchauffeur 37. Une conduite 39 relie l'entrée du compresseur à une source d'air sous pression (non représenté), telle qu'un prélèvement d'air sur un moteur d'avion, par l'intermédiaire d'un prérefroidisseur 40. La sortie de la turbine 32 est raccordée par un circuit 41 aixpassages du fluide de refroidissement du condenseur 38 et d'un échangeur de chaleur 42, puis à une pluralité de compartiments qui peuvent comprendre une cabine 43 et deux compartiments à équipements 44, 45, après quoi l'air est évacué vers l'extérieur après avoir traversé les passages pour fluides de refroidissement d'un échangeur de chaleur 46 et de l'échangeur générateur 36. 8. 2486210 L'un des compartiment à équipements 45 est branché sur une conduite dérivée 4la montée en parallèle sur la cabine 43 et le compartiment 44. Un extracteur d'eau 47, de préférence du type à aubes fixes de tourbillon, est inclus dans le circuit 34, à la sortie du condenseur 38, et est relié par une canalisation 48 à un dispositif injecteur 49 qui pulvérise de l'eau dans l'entrée du passage de fluide de refroidissement de l'échangeur de chaleur 46. Les voies principales des échangeurs 42 et 46 font Io partie d'un circuit de refroidissement fermé à recyclage 50 qui comprend une charge thermique 51. Le fluide de refridisse- ment dans le circuit50 peut être gazeux ou liquide et est entrainé en circulation par un ventilateur ou une pompe 52, suivant le cas. Le fluide de refroidissement du prérefroidis- I5 seur 40 et du refroidisseur intermédiaire 35 peut être dérivé sur n'importe quelle source appropriée et, dans le cas d'appli- cations aux avions, ce fluide de refroidissement est fourni par de l'air dynamique. On va décrire maintenant le.fonctionnement du système représenté sur la figure 2 lorsqu'il est appliqué à un avion. De l'air d'alimentation sous pression est amené, sous une pression déterminée, à l'entrée du compresseur 33, par l'inter- médiaire des conduites 39 et du prérefroidisseur 40. D'une manière qui est-classique avec les systèmes à circuits en boucle, la température de l'air d'alimentation est élevée durant la compression, puis cet air est refroidi au cours de son passage à travers le circuit 34. Dans le refroidisseur intermé- diaire 35, le refroidissement est avantageusement assuré par de l'air dynamique; dans l'échangeur régénérateur 3.6 le refroidissement est assuré par l'air d'alimentation qui est évacué en permanence hors du système-30, tandis que dans le réchaffeur 37 de la chaleur esttransférée à partir d'une zone de l'air d'alimentation située en amont du condenseur 38 294 2486210 à une zone enaval de ce dernier, grâce à quoi cet air est réchauffé avant de pénétrer dans la turbine ou il est complè- tement détendu. Les condensats sont extraits de l'air d'alimen- tation à la sortie du condenseur par l'extracteur d'eau 47. Dans des condkitons de forte humidité, la température de l'air d'alimentation détendu évacué du condenseur 38, ne sera pas sensiblement en-dessous du point de congélation, par exemple - 100C, par suite de l'effet de condensation de l'eau dans l'air; tandis que dans des conditions de faible humidité, cette température sera sensiblement plus basse, par exemple - 40 C, par suite des impératifs plus réduits de condensation. Cet air évacué, détendu par la turbine, circule, en tant que fluide de refroidissement, à travers l'échangeur de chaleur 42 dans lequel il recueille de la chaleur en provenance du fluide de refroidissement du circuit fermé 50 avant d'être transféré à la cabine 43, au compartiment 44 et, sous la dépendance d'un contrôle de système de température (non représenté) au compartiment 45 par l'intermédiaire de la conduite de dérivation 41a. L'air détendu de la turbine après évacuation hors de la cabine 43 et des compartiments 44, 45, est amené, en tant que fluide de refroidissement, à l'échangeur de chaleur 46 dans l'entrée duquel l'injecteur 49 pulvérise l'eau extraite par l'extracteur d'eau 47. La quantité de cette eau augmente lorsque l'humidité atmosphéri- que augmente et, en conséquence, l'effet de refroidissement sur la charge à traiter, c'est-à-dire sur le fluide qui circule dans le circuit de refroidissement 50, augmente, si bien que, dans des conditions de forte humidité, la totalité de l'eau injectée n'est pas évaporée dans l'échangeur de chaleur 46. L'eau qui, ainsi, n'est pas évaporée, est entraînée dans le passage du fluide de refroidissement de l'échangeur régénérateur 36 de l'ensemble turbo compresseur 31, ou il est alors évaporé avant que l'air détendu ne quitte le système de conditionnement/ 9. 24862 1 C Le fluide dans le circuit de refroidissement fermé 50 est entraîné en circulation par le ventilateur ou la pompe 52, grace à quoi la chaleur qui est engendrée dans la charge thermique 51 est dissipée par transfert à l'air détendu par la turbine sous l'effet des échangeurs de chaleur 42 et 46. Ainsi, pour un air d'alimentation ayant une forte humidité, une proportion appréciable de la capacité de refroidissement est produite par évaporation d'eau dans l'échangeur de chaleur 46, tandis que dans des conditions de faible humidité une I0 proportion appréciable du refroidissement est assurée par l'air froid sec dans l'échangeur de chaleur 42. Dans les conditions de forte humidité, l'évaporation n'est pas complète dans l'échangeur 46 et il se produit une évaporation finale dans l'échangeur régénérateur 36, ce qui confère à celui-ci une plus grande capacité de refroidissement et ce qui provoque en conséquence un taux de condensation plus élevé dans le condenseur 38. C'est pourquoi, le flux d'air d'alimentation vers la turbine 32 peut être maintenu dans un état suffisamment sec pour permettre d'obtenir des températures sensiblement inférieures à 00C à la sortie de la turbine. Des moyens connus de contrôle de température (non représenté) sont incorporés dans le système de façon à y réguler les conditions variables, ainsi que les demandes de conditionnement qui lui sont faites au cours du fonctionnement, de façon à maintenir les conditions de marche les plus efficaces. Il apparait bien, d'après la description qui précède, que l'efficacité des systèmes déjà connus peut être augmentée par un usage plus efficace de la chaleur latente d'évaporation, en renvoyant toute l'eau extraite de l'air d'alimentation dans une zone à haute pression du sytème vers le même air dans une zone o il assure une fonction de refroidissement. Il apparaît également que, en permettant l'utilisation d'air à une tempéra- ture sensiblement inférieure à QOC en tant qu'agent de il s 2486210 de refroidissement, les besoins en air d'alimentation prélevé sur un turbomoteur peuvent être diminués pour une capacité de refroidissement donnée du système. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations décrits et représentés, elle est suscep- tible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans pour cela sortir du cadre de l'invention. C'est ainsi qu'on peut inclure dans le système divers moyens de régulation de débit, tels que des turbines Io à buses variables, ainsi que des agencements différents des circuits en dérivation pour équilibrer la capacité de refroidis- sement du sytème à diverses charges thermiques. 12. REVENDICATIONS 1. Système de condtionnement d'air à cycle d'air, comprenant une turbine de détente (12) qui fournit un flux d'air détendu pour conditionner une charge thermique (19 - 23), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'extraction d'eau (16) de l'air d'alimentation à haute pression en amont de la turbine de détente, et des moyens (17) pour injecter l'eau extraite dans l'entrée du fluide de refroidissement d'un échangeur de chaleur (15) qui reçoit le flux d'air d'alimentation I0 détendu de la turbine après que cet air ait soustrait de la chaleur à ladite charge thermique. 2. Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (15) est agencé de façon à être en relation d'échange thermique avec l'alimentation d'air à haute pression s'écoulant depuis un compresseur (13) vers la turbine de détente (12). 3. Système suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la charge thermique comprend un compartiment (19) vers lequel circule l'air d'alimentation détendu par la turbine (12) aux fins de conditionnement, par l'intermédiaire de la voie du fluide de refroidissement dans un échangeur de chaleur (20) de charge thermique qui est agencé pour être en relation d'échange de chaleur avec un fluide circulant dans un circuit fermé qui comporte une autre charge thermique (23). 4. Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (15) est agencé pour être en rela- tion d'échange de chaleur avec un fluide circulant dans un circuit en boucle afin de refrddir une autre charge thermique (23). 5. Système suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens d'extraction d'eau (47) sont disposés en aval d'un échangeur-condenseur (38) dans un circuit reliant la sortie d'un compresseur radial (33) avec l'entrée de la turbine de détente. 13 2486210 6. Système suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit précité comprend un échangeur-régénéra- teur (36) raccordé à la sortie de la voie de refroidissement de l'échangeur de chaleur (46) de façon à recevoir le flux d'air d'alimentation détendu fourni par la turbine, en prove- nance de la voie de refroidissement de l'échangeur (46) après injection de l'eau extraite.