УСТРОЙСТВО ДЛЯ СМЕШИВАНИЯ СВЕЖЕГО И НАГРЕТОГО ВОЗДУХА И ПРИМЕНЕНИЕ ЭТОГО УСТРОЙСТВА В ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЕ ВОЗДУШНОГО СУДНА
DEVICE TO MIX FRESH AND HEATED AIR AND APPLICATION OF SAID DEVICE IN AIRCRAFT VENTILATION SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройству для смешивания свежего воздуха и нагретого воздуха, имеющему впуск свежего воздуха, тело для подачи нагретого воздуха, выполненное с возможностью подачи нагретого воздуха в устройство, и выпуск смешанного воздуха для выпуска смеси свежего и нагретого воздуха из устройства, при этом тело для подачи нагретого воздуха содержит первую часть и вторую часть, создающие сопротивление потоку свежего воздуха, причем вторая часть выполнена в виде замкнутого полого тела с множеством отверстий для подачи нагретого воздуха и соединена с первой частью в области ее конца, нижнего по потоку нагретого воздуха. Изобретение относится также к применению устройства такого типа в вентиляционной системе, установленной на борту воздушного судна.
Уровень техники
Смешивающее устройство, имеющее признаки в соответствии с вводной частью пункта 1 формулы изобретения, известно из патентного документа DE 4208442 А1.
В современных гражданских коммерческих воздушных судах кабина делится на несколько зон с независимыми друг от друга вентиляцией и регулированием температур. Так, например, регулирование температуры может осуществляться в зависимости от количества пассажиров в разных зонах кабины воздушного судна. Для этого перед подачей в кабину воздушного судна необходимо смешивать свежий воздух для каждой из указанных зон, в которых должна поддерживаться разная температура, с потоком нагретого воздуха, количество которого регулируется в зависимости от необходимого уровня температуры в соответствующей зоне кабины.
Недостатком известных воздушных смесителей, т.е. устройств для смешивания свежего и нагретого воздуха, является то, что при смешивании заметно увеличивается потеря давления в приточных вентиляционных трубах кабины воздушного судна. Поскольку давление в этих трубах регулируется, смешивание свежего и нагретого воздуха действует на указанное регулирование давления как переменная возмущения, которая должна быть минимизирована. Кроме того, нагретый воздух обычно подается по трубе из титанового сплава в трубу для свежего воздуха, изготовленную из стеклопластика, в которой затем осуществляется смешивание. Поскольку температура нагретого воздуха перед подачей в трубу для свежего воздуха находится в диапазоне от приблизительно 200°С до 260°С, труба для свежего воздуха, изготовленная из стеклопластика, не может выдерживать высокую температуру несмешанного потока горячего воздуха. Следовательно, необходимо обеспечить эффективное смешивание двух потоков воздуха и связанное с ним падение температуры. Кроме того, массовый расход нагретого воздуха, подаваемого в подающий воздушный трубопровод кабины, регулируется с помощью температурного датчика, установленного за зоной смешивания. Таким образом, для того, чтобы датчик мог измерять характерную температуру смешанного воздушного потока, в подающем воздушном трубопроводе, расположенном за зоной смешивания, должно обеспечиваться однородное температурное поле.
Обычно смешивание осуществляется или без вспомогательного тела (фиг.1), или с простым вспомогательным телом (фиг.2). В случае с воздушным смесителем 10, представленным на фиг.1, свежий воздух 2 поступает в трубу 11 через впускное отверстие 12 для свежего воздуха и смешивается с нагретым воздухом 4, который подается через отверстие 14 для подачи нагретого воздуха. Смешанный воздух 6 выходит из выпускного отверстия 16 воздушного смесителя 10 и подается в расположенную за ним кабину воздушного судна. В этом случае температурный датчик 18, измеряющий температуру смешанного воздуха 6, расположен за зоной смешивания. Недостаток воздушного смесителя 10 по фиг.1 состоит в недостаточном смешивании свежего воздуха 2 и нагретого воздуха 4, в особенности при малых потоках нагретого воздуха. Недостаточное смешивание приводит к образованию так называемых «горячих пятен», оказывающих неблагоприятное воздействие на трубу 11, изготовленную из стеклопластика.
Воздушный смеситель 20 со вспомогательным телом 24 представлен на фиг.2. Перфорированный конец тела 24 в виде трубы содержит множество отверстий 25 для подачи нагретого воздуха, через которые нагретый воздух 4 поступает в трубу 21 и смешивается там со свежим воздухом 2, поступающим через впуск 22. Смешанный воздух 6 выходит из трубы 21 через выпуск 26. Температура смешанного воздуха 6 измеряется также с помощью температурного датчика 28. Недостаток такого смешивания состоит в том, что в зоне смешивания могут происходить большие потери давления, вызываемые, с одной стороны, уменьшением поперечного сечения потока трубы 21 в зоне перфорированного конца трубы 24, и, с другой стороны, дополнительным массовым расходом потока нагретого воздуха 4, поступающего в эту зону. Поскольку скорость потока в зоне уменьшенного поперечного сечения потока выше, чем в других зонах с большим поперечным сечением потока, давление в указанной зоне падает. Кроме того, дополнительный массовый расход потока нагретого воздуха 4 вызывает падение давления в трубе 21 в зоне перфорированного конца трубы 24. Это падение давления оказывает неблагоприятное воздействие на регулирование давления в подающих трубопроводах свежего воздуха кабины воздушного судна.
Раскрытие изобретения
Таким образом, задачей настоящего изобретения является предложение устройства, с помощью которого смешивание свежего и нагретого воздуха может осуществляться с малыми потерями давления и высоким качеством смешивания, в особенности, когда большие массы потоков нагретого воздуха должны смешиваться с потоком свежего воздуха.
Эта задача решается при помощи устройства, имеющего впуск свежего воздуха, тело для подачи нагретого воздуха, выполненное с возможностью подачи нагретого воздуха в устройство, и выпуск смешанного воздуха для выпуска смеси свежего и нагретого воздуха из устройства, при этом тело для подачи нагретого воздуха содержит первую часть и вторую часть, создающие сопротивление потоку свежего воздуха, причем вторая часть выполнена в виде замкнутого полого тела с множеством отверстий для подачи нагретого воздуха и соединена с первой частью в области ее конца, нижнего по потоку нагретого воздуха. В соответствии с настоящим изобретением для решения указанной задачи устройство отличается тем, что первая часть тела для подачи нагретого воздуха имеет обтекаемую форму.
В этом контексте под обтекаемой формой понимается любая форма тела, отличающаяся низким сопротивлением потоку относительно обтекающей его среды, в данном случае воздуха. Благодаря, по меньшей мере, частично обтекаемой конфигурации тела для подачи нагретого воздуха доля уменьшения поперечного сечения потока трубы для свежего воздуха посредством тела для подачи нагретого воздуха поддерживается минимальной, так что связанное с этим падение давления, может, в свою очередь, поддерживаться в этой зоне на низком уровне. Кроме того, потери давления в трубопроводе для свежего воздуха также минимизируются при больших потоках нагретого воздуха, подаваемых при помощи тела для подачи нагретого воздуха в трубопровод для свежего воздуха.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения вторая часть тела для подачи нагретого воздуха, содержащая множество отверстий для подачи нагретого воздуха, имеет обтекаемую форму. Выполненное таким образом тело для подачи нагретого воздуха называется также эффузионным телом, в которое подается нагретый воздух и выпускается через отверстия для подачи нагретого воздуха внутрь воздушного смесителя.
Вторая часть тела для подачи нагретого воздуха, содержащая отверстия для подачи нагретого воздуха, может также иметь сферическую или эллиптическую форму. Сферическая или эллиптическая конфигурация второй части предпочтительна еще и тем, что поддерживает сопротивление потоку и связанное с ним падение давления внутри воздушного смесителя на низком уровне.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения площадь поперечного сечения первой части в направлении потока свежего воздуха может быть меньше, чем площадь поперечного сечения второй части. С одной стороны, это приводит к уменьшению сопротивления потоку первой части относительно второй части. С другой стороны, отверстия для подачи нагретого воздуха, имеющиеся во второй части тела для подачи нагретого воздуха, могут распределяться по большей площади, тем самым улучшая качество смешивания нагретого и свежего воздуха, поскольку упрощается доступ свежего воздуха к нагретому воздуху.
Предпочтительно множество отверстий для подачи нагретого воздуха распределено равномерно по второй части тела. Такое равномерное распределение отверстий обеспечивает равномерный выпуск нагретого воздуха в воздушный смеситель и таким образом предотвращает появление вблизи второй части значительных температурных градиентов, которые могут создавать неоднородное температурное поле за зоной смешивания.
В соответствии со следующим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения количество отверстий для подачи нагретого воздуха в нижней по потоку зоне второй части может быть больше, чем в верхней по потоку зоне второй части. Поскольку направление выхода нагретого воздуха в верхней по потоку зоне второй части противоположно направлению потока свежего воздуха, нагретый воздух при выходе из второй части будет вынужден действовать против потока воздуха. Указанное действие придется обеспечивать при помощи подачи в систему дополнительной энергии. И наоборот, направление выхода нагретого воздуха в нижней по потоку зоне второй части параллельно направлению потока свежего воздуха. Поэтому количество отверстий для подачи нагретого воздуха в нижней по потоку зоне второй части больше, чем в верхней по потоку зоне.
Плотность распределения отверстий для подачи нагретого воздуха по поверхности второй части предпочтительно может увеличиваться в направлении потока свежего воздуха. Таким образом, потеря давления, происходящая при смешивании, дополнительно уменьшается.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения направление потока нагретого воздуха в первой части тела для подачи нагретого воздуха может быть перпендикулярно направлению потока свежего воздуха. Вследствие перпендикулярного расположения первой части тела для подачи нагретого воздуха, которая введена во вторую часть с образованием эффузионного тела, нагретый воздух уже имеет компонент движения, перпендикулярный направлению потока свежего воздуха, облегчающий выход нагретого воздуха из эффузионного тела, в особенности при малых потоках нагретого воздуха. После выхода нагретого воздуха из эффузионного тела он проталкивается в направлении потока свежего воздуха и, при изменении направления движения нагретого воздуха, может смешиваться со свежим воздухом, так что качество смешивания дополнительно улучшается.
В соответствии со следующим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения предусмотрен первый корпус воздушного смесителя, имеющий указанный впуск свежего воздуха и выпуск смешанного воздуха, причем в этом случае тело для подачи нагретого воздуха может прикрепляться к первому корпусу. Благодаря такой конструкции первый корпус, содержащий впуск свежего воздуха и выпуск смешанного воздуха, может изготавливаться из другого, легкого материала, что особенно предпочтительно в самолетостроении.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения для облегчения конструкции воздушного смесителя первый корпус может изготавливаться из стеклопластика, а тело для подачи нагретого воздуха может изготавливаться из титанового сплава. Титановый сплав обеспечивает хорошую термическую стабильность при высоких температурах нагретого воздуха, а стеклопластик обеспечивает преимущество в особенности в отношении облегчения конструкции воздушного смесителя в целом.
Температурный датчик предпочтительно расположен на первом корпусе по потоку за телом для подачи нагретого воздуха, это обеспечивает преимущество в особенности в отношении регулирования заданной температуры смешанного воздуха, предназначенного для подачи в кабину воздушного судна. Температурный датчик в этом случае должен быть расположен на достаточном расстоянии от зоны смешивания для измерения характерного температурного уровня смешанного воздуха.
Настоящее изобретение также предлагает применение устройства в соответствии с настоящим изобретением в вентиляционной системе, установленной на борту воздушного судна.
Краткое описание чертежей
Ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи описываются предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения.
На фиг.1 представлено поперечное сечение воздушного смесителя без вспомогательного тела в соответствии с известным уровнем техники.
На фиг.2 представлено поперечное сечение воздушного смесителя со вспомогательным телом в соответствии с известным уровнем техники.
На фиг.3А, 3В, 3С представлены различные виды воздушного смесителя в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.4А, 4В, 4С представлены различные виды воздушного смесителя в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Номера позиций, использованные на фиг.3А, 3В, 3С, так же, как и на фиг.4А, 4В, 4С, частично соответствуют номерам позиций по фиг.1 и 2. Кроме того, на фиг.3А, 3В, 3С и фиг.4А, 4В, 4С номера позиций соответствующих друг другу компонентов воздушного смесителя в соответствии с первым и вторым вариантами настоящего изобретения отличаются только первой цифрой.
На фиг.3А представлен вид сбоку, на фиг.3В - вид сверху и на фиг.3С - поперечное сечение перпендикулярно направлению потока свежего воздуха воздушного смесителя 30 в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. В соответствии с этим вариантом изобретения свежий воздух 2 поступает в цилиндрическую трубу 31 через впускное отверстие 32 для свежего воздуха. Хотя на фиг.3А впускное отверстие 32 представлено в виде сечения трубы 31 и хотя впускное отверстие 32 может также находиться в другом месте в продольном направлении трубы 31, в контексте настоящего изобретения указанное сечение следует понимать как впуск 32 свежего воздуха.
Нагретый воздух 4, предназначенный для смешивания со свежим воздухом 2, поступает в тело 33 для подачи нагретого воздуха через впуск 34 для подачи нагретого воздуха. Тело 33 для подачи нагретого воздуха, представленное на фиг.3А, 3В и 3С, в основном содержит две части. Первая часть 35 имеет обтекаемую форму и служит трубой для подачи нагретого воздуха во вторую часть 37. Вторая часть 37 является полой и в контексте настоящего изобретения называется эффузионным телом. Эффузионное тело 37 имеет множество отверстий 38 для подачи нагретого воздуха, через которые нагретый воздух 4 может выходить во внутреннюю часть трубы 31. В этом случае нагретый воздух 4 выходит в направлении, перпендикулярном поверхности эффузионного тела 37 (см. фиг.3С), и после выхода из эффузионного тела 37 проталкивается свежим воздухом 2 в направлении потока свежего воздуха 2 и смешивается со свежим воздухом 2. Нагретый воздух 4, смешанный со свежим воздухом 2, выходит из трубы 31 через выпуск 36 в виде смешанного воздуха 6.
На фиг.3В представлен вид сверху воздушного смесителя 30. Как видно на фиг.3В, как первая часть 35 тела 33 для подачи нагретого воздуха, так и эффузионное тело 37 имеют обтекаемую форму относительно направления потока свежего воздуха 2. Благодаря обтекаемой форме первой части 35 и эффузионного тела 37 уменьшается сопротивление потоку свежего воздуха со стороны тела 33, так что потери давления при смешивании свежего воздуха 2 и нагретого воздуха 4 в воздушном смесителе 30 сведены к минимуму. Обтекаемая форма первой части 35 и эффузионного тела 37 дополнительно обеспечивают отсутствие разделения потока на нижнем по потоку конце тела 33 для подачи нагретого воздуха.
Площадь поперечного сечения первой части 35 в направлении потока, т.е. площадь части 35 на плоскости фиг.3В, меньше, чем площадь поперечного сечения эффузионного тела 37. Вследствие этого, сопротивление потоку тела 33 дополнительно уменьшается, и связанное с ним падение давления дополнительно минимизируется. В то же время достигается хорошее смешивание даже при малых потоках нагретого воздуха, выходящего из отверстий 38 для подачи нагретого воздуха эффузионного тела 37 в воздушный смеситель 30.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, представленным на фиг.3А, 3В, 3С, распределение отверстий 38 для подачи нагретого воздуха на эффузионном теле 37 выбирается таким, что, за исключением верхней по потоку зоны, отверстия 38 распределены по поверхности эффузионного тела 37 в основном равномерно. В зоне верхнего по потоку конца эффузионного тела 37 не имеется отверстий для подачи нагретого воздуха, поскольку направление выхода нагретого воздуха в этой зоне противоположно направлению потока свежего воздуха. Следовательно, нагретый воздух был бы вынужден действовать против потока свежего воздуха, так что указанное действие пришлось бы обеспечивать при помощи подачи в систему дополнительной энергии. В нижней по потоку зоне, наоборот, направление выхода нагретого воздуха 4, выходящего из отверстий 38, параллельно направлению потока свежего воздуха 2, и, следовательно, падение давления при смешивании значительно уменьшается в нижней по потоку зоне. Нагретый воздух 4, выходящий из отверстий 38 перпендикулярно направлению потока свежего воздуха 2, т.е. вблизи экватора эффузионного тела 37, обеспечивает отсутствие байпасного потока относительно эффузионного тела 37. Вместо этого свежий воздух 2 также смешивается с нагретым воздухом 4 в зоне трубы 31 рядом с ее краем. Вследствие этого образуется в основном однородное температурное поле по всему поперечному сечению трубы 31. Это однородное температурное поле позволяет осуществлять измерения характерной температуры с помощью температурного датчика, не представленного на фиг.3А, 3В, 3С, и, таким образом, обеспечивается надежное регулирование или контроль уровня температуры смешанного воздуха 6, выходящего из воздушного смесителя 30 и подаваемого в кабину воздушного судна.
На фиг.4А представлен вид сбоку, на фиг.4В - вид сверху и на фиг.4С - поперечное сечение перпендикулярно направлению потока свежего воздуха 2 воздушного смесителя 40 в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения. В этой связи ниже обсуждаются только отличия от первого варианта осуществления настоящего изобретения по фиг.3А, 3В, 3С.
В соответствии с этим вариантом осуществления настоящего изобретения воздушный смеситель 40 содержит эффузионное тело 47 сферической формы. Отверстия 48 для подачи нагретого воздуха равномерно распределены по поверхности эффузионного тела 47. Соответственно, нагретый воздух 4 выходит из эффузионного тела 47 равномерно во всех направлениях. Хотя эффузионное тело 47 не имеет обтекаемой формы в истинном смысле, однако сопротивление потоку эффузионного тела 47 уменьшено по сравнению с перфорированным концом трубы 24 по фиг.2. Так же как и в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, представленным на фиг.3А, 3В, 3С, подающая труба 45 имеет обтекаемую форму, как видно на фиг.4В. Благодаря этому любые потери давления в воздушном смесителе 40 также поддерживаются на низком уровне в соответствии с вариантом осуществления изобретения по фиг.4А, 4В, 4С.
Тело 33, 43 для подачи нагретого воздуха расположено перпендикулярно направлению потока свежего воздуха 2 в соответствии с обоими представленными вариантами осуществления настоящего изобретения. Иными словами, направление потока нагретого воздуха 4 в теле 33, 43 перпендикулярно направлению потока свежего воздуха 2 в трубе 31, 41. Чтобы выдерживать относительно высокие температуры нагретого воздуха 4 (в диапазоне от 200°С до 260°С), тело 33, 43 предпочтительно изготавливается из титанового сплава. Для облегчения конструкции воздушного смесителя 30, 40, особенно важного в самолетостроении, труба 31, 41 изготавливается из стеклопластика. Однако специалисту понятно, что для изготовления трубы 31, 41 и тела 33, 43 могут также использоваться другие соответствующие материалы.
Тело 33, 43 для подачи нагретого воздуха вставлено в горизонтальное отверстие трубы 31, 41 и герметически соединено с последней. Например, в горизонтальное отверстие трубы 31, 41, изготовленной из стеклопластика, может вставляться металлическое гнездо с внутренней резьбой. Затем изготовленное из титанового сплава и содержащее наружную резьбу (не показана) тело 33, 43 может ввинчиваться в указанное гнездо.
Эффузионное тело 37, 47 предпочтительно приваривается к подающей трубе 35, 45 обтекаемой формы.
В случае с двумя представленными вариантами осуществления настоящего изобретения также может учитываться возможность распределения отверстий 38, 48 для подачи нагретого воздуха на эффузионном теле 37, 47, отличная от представленной на фиг.3А, 3В, 3С и 4А, 4В, 4С. Было установлено, что в верхней по потоку зоне эффузионного тела 37 предпочтительно не выполнять отверстия для подачи нагретого воздуха, в особенности в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, представленным на фиг.3А, 3В, 3С. Это является компромиссом, поскольку, хотя теоретически улучшенное смешивание может быть получено вследствие большей плотности обтекания в этой зоне, направление выхода нагретого воздуха 4 в этой зоне противоположно направлению потока свежего воздуха 2, и, следовательно, нагретый воздух при выходе из второй части был бы вынужден действовать против потока свежего воздуха 2. Указанное действие пришлось бы обеспечивать при помощи подачи в систему дополнительной энергии.
Кроме того, ширина эффузионного тела 37, 47 в соответствии с обоими вариантами осуществления настоящего изобретения, по направлению потока свежего воздуха, может быть выбрана таким образом, чтобы она соответствовала ширине тела 33, 43 для подачи нагретого воздуха.
Воздушный смеситель 30, 40, описанный в связи с фиг.3А, 3В, 3С и 4А, 4В, 4С, в особенности пригоден для монтажа в вентиляционной системе, установленной на борту коммерческого воздушного судна. Возможно также использование воздушного смесителя 30, 40 в других местах, например в вентиляционных системах поездов, грузовых автомобилей или автобусов, т.е. везде, где потоки воздуха при разных температурах должны смешиваться друг с другом как можно более эффективно и с наименьшей возможной потерей давления, например, для вентиляции, регулирования и контроля уровня температур в разных зонах пассажирского салона или грузового отсека.