СИСТЕМА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕПЛОПРОИЗВОДЯЩИХ УСТРОЙСТВ В ВОЗДУШНОМ СУДНЕ
SYSTEM FOR COOLING AIRCRAFT HEAT GENERATING DEVICES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к охлаждающим системам для охлаждения теплопроизводящих (тепловыделяющих) устройств в воздушном судне.
Уровень техники
Внутри самолета, помимо системы кондиционирования воздуха, имеется множество различных технических устройств, которые выделяют тепло и которые для обеспечения их безопасного функционирования необходимо охлаждать. По этой причине в самолетах издавна предусматривают охлаждающие системы, которые индивидуально объединяют с соответствующими техническими устройствами, подлежащими охлаждению. Обеспечение индивидуальными системами такого типа требует относительно большого места внутри конструкции самолета и отличается невысокой гибкостью. Кроме того, индивидуальные системы такого типа часто заставляют напрямую использовать наружный воздух в качестве поглотителя тепла для удаления тепла от технических устройств, подлежащих охлаждению. Однако это приводит к нежелательному нагреву внутреннего пространства самолета.
Имеет место устоявшаяся практика, например, в соответствии с патентом Германии 3812739 С1, располагать холодильную камеру внутри кухонного блока самолета, вблизи наружной обшивки, и создавать полость холодного воздуха между холодильной камерой и наружной обшивкой самолета. В полости холодного воздуха воздух как хладоагент охлаждается за счет теплообмена с наружной обшивкой самолета и после охлаждения подается в холодильную камеру для охлаждения тележки официанта, наполненной, например, напитками или продуктами питания, подлежащими охлаждению. Однако недостаток такой современной технологии заключается в том, что каждая холодильная камера требует отдельной полости холодного воздуха. Это означает, что распределение пространства внутри самолета становится сравнительно менее гибким. Кроме того, надежное охлаждающее действие может быть получено, только когда самолет совершает полет на большой высоте, где окружающая среда имеет очень низкую температуру. Если самолет находится на земле после посадки, охлаждающее действие можно гарантировать только за счет дополнительного холодильного агрегата, запас холода в котором ограничен.
Раскрытие изобретения
В свете вышесказанного задача настоящего изобретения состоит в создании охлаждающей системы вышеописанного типа, которая была бы лишена недостатков, присущих известным решениям, и которая имела бы простую конструкцию и обеспечивала высокий уровень гибкости в отношении размещения, а также хорошо адаптировалась к текущим требованиям охлаждения.
Данная задача решается посредством охлаждающей системы для охлаждения тепловыделяющих устройств в воздушном судне, которая содержит центральное хладопроизводящее устройство, по меньшей мере один хладопотребитель и систему передачи холода, которая соединяет между собой хладопроизводящее устройство и хладопотребитель, причем система передачи холода содержит по меньшей мере один контур охлаждения, который переносит охлажденный хладоагент от хладопроизводящего устройства по меньшей мере к одному хладопотребителю и обратно к хладопроизводящему устройству, причем указанный по меньшей мере один хладопотребитель обеспечивается холодом, вырабатываемым в хладопроизводящем устройстве, посредством хладоагента, циркулирующего в контуре охлаждения.
В соответствии с настоящим изобретением, объем холода, необходимый для хладопотребителей, может быть получен централизованно от хладопроизводящего устройства через контур охлаждения. Хладопроизводящее устройство можно разместить внутри воздушного судна компактно, чтобы оно не мешало другим элементам воздушного судна. Таким образом, обеспечивается высокий уровень гибкости в отношении размещения оборудования внутри воздушного судна. В частности, охлаждающую систему можно адаптировать к особенностям членения пространства внутри воздушного судна.
Другой вариант осуществления изобретения предусматривает, что хладопроизводящее устройство содержит по меньшей мере две холодильные машины, которые работают независимо друг от друга и присоединены параллельно к системе передачи холода. Таким образом, с одной стороны, увеличивается максимальный объем холода, вырабатываемого хладопроизводящим устройством, а, с другой стороны, охлаждающая система становится более надежной. Даже если одна из холодильных машин выйдет из строя, охлаждающая система сохранит способность вырабатывать минимальный объем холода за счет по меньшей мере еще одной холодильной машины. В соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения число холодильных машин для хладопроизводящего устройства желательно выбирать таким образом, чтобы покрыть потребность воздушного судна в холоде во время его работы на земле, когда температура наружного воздуха вокруг воздушного судна значительно выше, чем во время полета на больших высотах.
Чтобы увеличить эффективность хладопроизводящего устройства и тем самым эффективность соответствующей изобретению охлаждающей системы, один из аспектов изобретения предусматривает, что по меньшей мере одна холодильная машина использует забортный воздух снаружи гермокабины воздушного судна в качестве теплопоглотителя для отвода тепла, и что отработавший теплый воздух выпускается за пределы гермокабины. Таким образом гарантируется, что охлаждающая система может отводить тепло, которое высвобождается, не оказывая влияния на движение воздуха в кабине, создаваемое системой кондиционирования, и не вызывая нежелательного повышения температуры в кабине воздушного судна.
Чтобы дополнительно увеличить надежность охлаждающей системы, в соответствии с настоящим изобретением может быть предусмотрено несколько различных контуров охлаждения, которые по существу независимы друг от друга. Если в результате технического отказа один из контуров охлаждения выйдет из строя, то по меньшей мере на один дополнительный контур охлаждения данный отказ влияния не окажет. Разделение контуров охлаждения в соответствии с настоящим изобретением можно осуществить, например, таким образом, чтобы предусмотреть по одному контуру охлаждения, соответственно, с каждой стороны воздушного судна относительно его продольной оси, и/или предусмотреть один контур охлаждения в носовой половине воздушного судна, а другой - в хвостовой половине. Несмотря на обеспечение нескольких контуров, работающих независимо друг от друга, в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения можно предусмотреть, чтобы хладопотребители, расположенные в средней части воздушного судна, снабжались хладоагентом совместно по меньшей мере от двух контуров охлаждения. Такая мера дает возможность продолжать в достаточной степени охлаждать устройство, нуждающееся в охлаждении, даже если один из контуров охлаждения выйдет из строя.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения по меньшей мере одна холодильная машина вырабатывает холод за счет процесса испарительного охлаждения. Процесс испарительного охлаждения дает возможность получать холод при относительно низких температурах, и при сравнительно небольших технических затратах.
Чтобы иметь возможность обеспечить надежную передачу хладоагента между по меньшей мере одним хладопотребителем и хладопроизводящим устройством через систему передачи холода, еще один аспект изобретения предусматривает, что каждый контур охлаждения содержит по меньшей мере один насос хладоагента для обеспечения циркуляции последнего. Чтобы исключить риск при выходе из строя одного из насосов хладоагента, означающего прекращение работы всего рассматриваемого контура охлаждения, в еще одном варианте осуществления изобретения предусмотрено по меньшей мере два насоса хладоагента, связанные с одним и тем же контуром охлаждения. Желательно, чтобы по меньшей мере два насоса хладоагента снабжались электроэнергией независимо друг от друга.
Дополнительно, в соответствии с настоящим изобретением, с каждым контуром охлаждения можно связать накопительное устройство для промежуточного хранения хладоагента. Посредством данного накопительного устройства можно до определенной степени сгладить вариации объема хладоагента и утечки в контуре охлаждения, обусловленные тепловыми процессами.
Несмотря на то что, в соответствии с изобретением, отдельные контуры охлаждения охлаждающей системы могут быть гидравлически развязаны друг от друга, согласно еще одному варианту осуществления изобретения по меньшей мере два контура охлаждения имеют тепловую связь через хладопроизводящее устройство и/или через теплообменник хладопотребителя.
Еще один вариант осуществления изобретения предполагает, что по меньшей мере один хладопотребитель содержит вторичную систему передачи холода, в которой посредством вторичного хладоагента, желательно воздуха, происходит перенос холода от основного хладоагента. Такое решение применяется, например, в бортовом кухонном блоке воздушного судна. Кухонный охладитель воздуха используется для передачи холода от основного хладоагента воздуху, используемому в качестве вторичного хладоагента, и при помощи данного охлажденного воздуха производится охлаждение, например, продуктов питания и напитков.
Еще один вариант осуществления изобретения предполагает наличие центрального блока управления, который управляет количеством холода на выходе каждого контура охлаждения в зависимости по меньшей мере от одного из параметров, определяющих текущую потребность в холоде. В связи с этим можно установить, чтобы параметры, определяющие текущую потребность в холоде, отражали температуру хладоагента по меньшей мере в одной точке контура охлаждения, предпочтительно, по меньшей мере температуру хладоагента на выходе из насоса хладоагента, и/или информацию о потребности в холоде по меньшей мере одного хладопотребителя, и/или давление хладоагента в контуре охлаждения.
Термин «управление», используемый в описании настоящего изобретения, включает в себя, с одной стороны, случай, когда управление отдельными элементами охлаждающей системы производится по заданным образцовым кривым, без обратной связи. С другой стороны, этот же термин включает и случай, когда управление элементами производится с обратной связью, т.е. осуществляется регулирование.
В соответствии с настоящим изобретением имеется возможность задавать количество холода на выходе в зависимости от текущей потребности. Поэтому следующий вариант осуществления изобретения предполагает, что количество холода на выходе является регулируемой величиной и может быть адаптировано к текущей потребности в холоде на воздушном судне путем индивидуального включения и выключения холодильных машин хладопроизводящего устройства. Другими словами, если холод на выходе требуется лишь в небольшом количестве, то приводится в действие, например, только одна холодильная машина, а если существует временная потребность в увеличенном количестве холода, то дополнительно подключается по меньшей мере еще одна холодильная машина. Чтобы все холодильные машины, применяемые в охлаждающей системе, были загружены в одинаковой степени, еще один вариант изобретения предполагает, что центральный блок управления управляет холодильными машинами таким образом, чтобы продолжительность их работы была по существу одинаковой.
В одном из вариантов изобретения хладоагент может протекать и через включенную, и через выключенную холодильные машины. Таким способом можно увеличить температуру подаваемого смешанного хладоагента при предварительном прогоне системы.
Однако точно так же можно связать с каждой холодильной машиной запорный клапан и перепускную магистраль, которая идет в обход холодильной машины. Этим можно воспрепятствовать течению хладоагента через холодильную машину, которая выключена, и отдавать при этом холод.
Как вариант вышеописанного случая, в котором холодильные машины включаются в ответ на потребность в холоде, другой вариант осуществления изобретения предполагает, что количеством холода на выходе по меньшей мере одной холодильной машины можно управлять (желательно непрерывно) при помощи блока управления. В связи с этим можно, например, предусмотреть, чтобы блок управления регистрировал температуру хладоагента на выходе холодильной машины и управлял холодильной машиной в соответствии с измеренной температурой на выходе.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения количество холода на выходе по меньшей мере одной холодильной машины можно изменять при помощи перепускного клапана и/или путем изменения частоты вращения компрессора, используемого в холодильной машине.
В дополнение к вышеописанным возможностям управления или регулирования количества холода на выходе или как их вариант, в соответствии с настоящим изобретением предусмотрено, что блок управления, используемый для управления количеством холода на выходе охлаждающей системы, изменяет количество хладоагента, подаваемого в контур охлаждения. В зависимости от уровня потребности в холоде производится подача большего или меньшего количества хладоагента от хладопроизводящего устройства через систему передачи холода по меньшей мере к одному хладопотребителю. Это можно осуществить, например, при помощи блока управления, используемого для управления количеством холода на выходе, который изменяет частоту вращения по меньшей мере одного насоса хладоагента.
Краткое описание чертежей
Далее приводится описание вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 схематически изображает первый вариант охлаждающей системы, соответствующей настоящему изобретению, и
фиг.2 схематически изображает второй вариант охлаждающей системы, соответствующей настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
На фиг.1 охлаждающая система, соответствующая настоящему изобретению, обозначена позицией 10. Она включает хладопроизводящее устройство 12, систему 14 передачи холода и зону 16, где происходит потребление холода.
Хладопроизводящее устройство 12 содержит две холодильных машины 18 и 20, в которых температура хладоагента понижается за счет известного в термодинамике процесса испарительного охлаждения, а сам хладоагент подается в систему 14 передачи холода по двум параллельным магистралям 22 и 24 контура охлаждения. В системе 14 передачи холода две параллельные магистрали 22 и 24 объединяются в точке 26. Хладоагент подается к насосному агрегату 30 через питающую магистраль 28, оснащенную управляемым запорным клапаном 29. Насосный агрегат 30 содержит два насоса 32 и 34, которые включены параллельно друг другу и нагружены на раздельно управляемые запорные клапаны 36 и 38. В насосном агрегате 30 к параллельно соединенным насосам 32, 34 подключен промежуточный накопитель 40 хладоагента. Он предназначен для сглаживания вариаций объема, обусловленных эффектами теплового расширения и утечками.
Благодаря способности насосного агрегата 30 создавать циркуляцию хладоагента, охлажденный хладоагент через питающую магистраль 42 подается к различным хладопотребителям 44, 46 и 48. Хладопотребителями 44, 46 и 48 являются, например, функциональные агрегаты, которые требуют охлаждения в бортовом кухонном блоке самолета, например, такие как холодильная камера, заполненная продуктами питания и напитками, или компьютерные блоки, которые следует охлаждать во время работы, или видеосистема самолета.
Охлажденный хладоагент из питающей магистрали 42 через отдельные линии подается к соответствующим хладопотребителям 44, 46 и 48. В каждом из хладопотребителей 44, 46, 48 хладоагент нагревается, то есть поглощает тепло. Другими словами, хладоагент отдает свой «холод» хладопотребителям 44, 46 и 48. Затем, соответственно нагретый хладоагент при помощи насосного агрегата 30, через магистраль 50 возврата и систему 14 передачи холода забирается обратно в холодильные машины 18 и 20 хладопроизводящего устройства 12. Там хладоагент, который был нагрет, снова охлаждается и через магистрали 22 и 24 может быть снова забран в систему 14 передачи холода.
В зависимости от размера самолета и потребности в холоде внутри самолета организация охлаждающей системы и управление могут быть выполнены различным образом. Например, если вероятна сравнительно большая потребность в холоде, то можно предусмотреть большее количество холодильных машин, которые затем можно включать, когда это требуется, то есть в рабочих ситуациях, при которых существует большая потребность в холоде, и переводить в холостой режим или полностью отключать в ситуациях ограниченной потребности в холоде.
Аналогично, при большой потребности в холоде запорный клапан 29 можно переводить в закрытое положение так, чтобы весь охлажденный хладоагент через питающую магистраль 42 подавался к хладопотребителям 44, 46, 48. Однако в ситуациях ограниченной потребности в холоде запорный клапан 29 открывают, так что часть охлажденного хладоагента посредством насосного агрегата 30 подается к холодильным машинам 18 и 20.
Другая возможность управления количеством холода на выходе охлаждающей системы 10 заключается в управлении циркуляционными насосами 32 и 34 в зависимости от потребности в холоде. Поэтому один из вариантов изобретения предполагает, что можно осуществлять непрерывное изменение частоты вращения насосов 32 и 34, и таким образом в некоторых пределах изменять производительность насосов 32 и 34.
В охлаждающей системе 10 также можно открывать и закрывать запорные клапаны 36 и 38, связанные с насосами 32 и 34, в зависимости от текущей потребности в холоде на выходе системы. Это означает, что можно осуществлять непрерывное изменение положения заслонки клапанов 36 и 38 от полностью открытого до полностью закрытого состояния. То же применимо и к запорному клапану 29. Таким способом можно конкретно устанавливать объем подачи системы передачи холода.
Управление насосами 32 и 34 и запорными клапанами 29, 36, 38 можно, например, осуществлять в зависимости от величин давлений, которые измеряются в различных точках внутри системы 14 передачи холода, например, датчиком 52 в магистрали 42. Кроме того, каждый из хладопотребителей 44, 46, 48 может иметь датчик температуры, за счет чего в зависимости от температур, измеренных в хладопотребителях 44, 46 и 48, можно осуществлять управление различными управляемыми элементами системы, такими как холодильные машины 18, 20, насосы 32, 34 и отдельные запорные клапаны 29, 36 и 38. Специалистам в данной области техники понятно, что параметры хладоагента, такие как температура, давление, расход и т.п., можно также измерять в ряде других точек внутри охлаждающей системы 10, и в зависимости от измеренных значений можно осуществлять управление вышеупомянутыми управляемыми элементами охлаждающей системы 10.
В изобретении показана охлаждающая система 10, посредством которой можно безопасно и надежно производить централизованное охлаждение ряда различных хладопотребителей 44, 46, 48 при помощи хладоагента, обеспечивающего достаточно интенсивное охлаждение, при этом количество холода на выходе охлаждающей системы 10 можно адаптировать к текущей потребности в холоде. Таким образом, может быть увеличена эффективность системы при работе с частичной нагрузкой, то есть при относительно небольшой текущей потребности в холоде. В итоге это приводит к снижению потребления электрической энергии в самолете, что также означает снижение расхода топлива. Более того, в соответствии с изобретением, в охлаждающей системе 10 применяемые холодильные машины 18, 20 не работают непрерывно, но могут быть выключены, когда это необходимо. Это означает, что их срок службы может быть значительно увеличен.
На фиг.2 показан соответствующий настоящему изобретению второй вариант осуществления охлаждающей системы, которая в целом обозначена индексом 110. Чтобы индексы не повторялись, в последующем описании фиг.2 элементы, работающие одинаковым образом, или элементы одного и того же типа обозначены такими же номерами, что и в предыдущем описании фиг.1, но с добавлением «1» впереди номера.
На фиг.2 показано, что система передачи холода разделена на два контура 125 и 127 охлаждения. Контур 125 охлаждения, показанный на фиг.2 штрихпунктирными линиями, гидравлически развязан от контура 127 охлаждения, который на фиг.2 показан сплошными линиями. Оба контура 125 и 127 охлаждения имеют тепловую связь с холодильными машинами 118 и 120, в которых происходит охлаждение хладоагента, подаваемого в контуры 125 и 127 охлаждения. В обоих контурах 125 и 127 охлаждения соответственно предусмотрено по два циркуляционных насоса, то есть в контуре 125 охлаждения - циркуляционные насосы 132 и 134, а в контуре 127 - насосы 156 и 158. Циркуляционные насосы 132 и 134, а также насосы 156 и 158 соответственно включены параллельно друг другу. К каждой параллельной группе циркуляционных насосов подключен накопитель хладоагента, т.е. накопитель 140 в контуре 125 охлаждения и накопитель 160 в контуре 127 охлаждения.
Холодильные машины 118 и 120, циркуляционные насосы 132 и 134, 158 и 156, а также накопители 140 и 160 объединены в один центральный агрегат 164 и распложены в самолете в таком месте, где они не мешают другому оборудованию. От центрального агрегата 164 хладоагент можно затем подавать к различным хладопотребителям посредством магистралей контуров 125 и 127 охлаждения.
Контур 125 охлаждения содержит, например, хладопотребители 144, 146 и 148 в виде воздушных холодильников бортового кухонного блока, расположенных с боковой стороны фюзеляжа самолета. Кроме того, контур 125 охлаждения содержит воздушный охладитель 162, при помощи которого производится охлаждение электронного оборудования самолета. Помимо этого еще одна группа воздушных холодильников бортового кухонного блока, расположенная в средней части фюзеляжа самолета, снабжается холодом от контура 125 охлаждения, а именно кухонные воздушные холодильники 166, 170 и 174. Наконец, в контуре 125 охлаждения также предусмотрен запорный клапан 186 для возможности изменения расхода хладоагента через контур 125 охлаждения.
С другой стороны, контур 127 охлаждения подает холод в кухонные воздушные холодильники 180, 182 и 184. Кроме того, от контура 127 охлаждения снабжается холодом охладитель 178 электронного оборудования. Дополнительно контур 127 охлаждает еще одну группу воздушных холодильников кухонного блока, расположенных в средней части фюзеляжа самолета, а именно кухонные воздушные холодильники 168, 172 и 176. Контур 127 охлаждения также содержит запорный клапан 188, при помощи которого можно управлять расходом хладоагента.
Исходя из схематического представления на фиг.1 и фиг.2, видно, что при помощи охлаждающей системы, соответствующей настоящему изобретению, можно различные хладопотребители снабжать хладоагентом в требуемом (большем или меньшем) объеме в зависимости от потребности в холоде и оснащения самолета, одновременно отвечая высоким требованиям стандартов безопасности. Преимуществом варианта, соответствующего фиг.2, например, является то, что можно обеспечивать минимальное количество холода на выходе, даже если выйдет из строя одна из холодильных машин 118 и 120, работающая на оба контура 125 и 127 охлаждения. Даже если выйдет из строя один из циркуляционных насосов в контурах 125 и 127 охлаждения, подача хладоагента все равно будет гарантирована благодаря параллельному соединению насосов 132 и 134, а также 158 и 156. Если один из контуров 125 и 127 охлаждения полностью выйдет из строя в результате утечки или иных дефектов, охлаждение существенно важных функциональных агрегатов самолета гарантировано, так как соответствующий другой контур охлаждения, который по прежнему работоспособен, будет подавать охлажденный хладоагент.