СИСТЕМА И СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ УСТРОЙСТВА НА БОРТУ ВОЗДУШНОГО СУДНА
METHOD AND SYSTEM FOR COOLING AIRCRAFT ONBOARD DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе охлаждения, а также к способу охлаждения устройства на борту воздушного судна.
Уровень техники
На борту воздушного судна имеется большое число технических устройств, которые вырабатывают тепло и которые должны охлаждаться для того, чтобы гарантировать безопасный режим работы. Кроме того, на борту воздушного судна имеются разнообразные закрытые помещения, так называемые отсеки, в которых должна поддерживаться температура более низкая, чем температура в кабине. По этой причине на борту воздушного судна предусмотрены разнообразные системы охлаждения.
Например, согласно патентному документу DE 4105034 A1 для каждой кухни предусматривают автономное охлаждающее устройство, в котором в качестве охлаждающей среды используют холодный воздух и которое снабжено своей собственной холодильной машиной компрессионного типа (воздушный охладитель).
В качестве альтернативы патентный документ DE 4340317 C2 описывает централизованную холодильную машину компрессионного типа, хладопроизводительность которой распределяют на борту воздушного судна посредством магистрали с хладагентом. Недостаток систем охлаждения, снабженных холодильной машиной компрессионного типа, заключается в том, что во время работы этой машины возникает сильный шум, который слышен в пассажирской кабине воздушного судна, и поэтому воспринимается как помеха. Более того, из-за наличия вращающихся деталей системы такого рода характеризуются низкой надежностью.
Кроме того, согласно патентному документу DE 3812739 C1 холодильная камера, предусмотренная на кухне воздушного судна, размещена вблизи наружной обшивки воздушного судна, а камера холодного воздуха предусмотрена между холодильной камерой и наружной обшивкой воздушного судна. Камера холодного воздуха обменивается теплом с атмосферным воздухом через наружную обшивку. Недостаток теплообменников такого рода заключается в том, что атмосферный воздух не может быть использован как поглотитель тепла при высокой температуре окружающей среды. Вследствие этого невозможно обеспечить достаточную охлаждающую способность при нахождении воздушного судна на земле в жаркие дни.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение системы охлаждения, а также способа охлаждения устройства на борту воздушного судна, которые позволяют надежно и непрерывно охлаждать тепловыделяющие и другие устройства на борту воздушного судна.
Эта задача решается за счет использования системы охлаждения для охлаждения устройства на борту воздушного судна, обладающей признаками пункта 1 формулы изобретения, и также способа охлаждения устройства на борту воздушного судна, обладающего признаками пункта 9 формулы изобретения.
Согласно изобретению система охлаждения для охлаждения устройства на борту воздушного судна включает в себя испаритель для приема текучей среды для испарения. Согласно изобретению в системе охлаждения можно использовать один или несколько испарителей в зависимости от потребности в охлаждающей энергии. Например, испаритель может быть выполнен в виде пластины, наполненной испаряемой текучей средой. Испаритель или испарители могут полностью или частично огораживать охлаждаемый объем, или же их можно разместить в определенном месте или в определенных местах охлаждаемого объема. В качестве альтернативы испаритель сам по себе может являться хранилищем охлаждаемой текучей среды, что более подробно будет объяснено впоследствии. В качестве испаряемой текучей среды, подаваемой в испаритель, можно использовать, например, воду или спирт.
Согласно изобретению система охлаждения включает в себя первый поглотитель, который содержит среду для поглощения испаренной в испарителе текучей среды. Кроме того, предусмотрен второй испаритель, который также содержит среду для поглощения испаряемой в испарителе текучей среды. В качестве поглощающей среды предпочтительно использовать мелкопористый материал, такой, например, как активированный уголь, цеолит, силикагель или подобные вещества. При поглощении испаренной в испарителе текучей среды поглощающей средой поглощение газообразной текучей среды происходит в нескольких молекулярных слоях поглощающей среды. При протекании этого физико-энергетического процесса, который соответствует конденсации, высвобождается теплота конденсации, поэтому для регенерации первого и второго поглотителей, то есть для выделения поглощенных молекул текучей среды из поглощающей среды, необходимо сообщить энергию регенерации первому и второму поглотителям. Вследствие этого во время регенерации поглотителя он не способен поглощать испаренную в испарителе текучую среду.
Поэтому согласно изобретению система охлаждения включает в себя систему управления, которая выполнена с возможностью установления или прерывания соединения по потоку между испарителем и первым и/или вторым поглотителем/поглотителями. Соединение по потоку между испарителем и одним из двух поглотителей может быть прервано системой управления, для того чтобы поглотитель, который больше не соединен по потоку с испарителем, мог быть регенерирован путем сообщения ему энергии регенерации. Система управления может соединить испаритель с другим поглотителем на этапе регенерации поглотителя, для того чтобы гарантировать непрерывную работу системы охлаждения, соответствующей изобретению.
Например, система управления может прервать соединение по потоку между испарителем и одним из двух поглотителей в том случае, если в поглотителе парциальное давление текучей среды, испаренной в испарителе, будет соответствовать парциальному давлению текучей среды в испарителе. Однако в случае необходимости система управления может в любой момент установить или прервать соединение по потоку между испарителем и первым и/или вторым поглотителем/поглотителями. Система управления может также быть выполнена с возможностью управления объемным расходом испаренной в испарителе текучей среды в направлении первого и/или второго поглотителя/поглотителей. Благодаря этому можно задать нужную температуру и/или нужный режим работы устройства на борту воздушного судна, которое охлаждается при помощи системы охлаждения.
В системе охлаждения согласно изобретению испаряемая в испарителе текучая среда поглощает тепло, выделяемое охлаждаемым устройством на борту воздушного судна, и в ходе этого процесса изменяет свое агрегатное состояние. Поэтому система охлаждения может работать без движущихся частей, что позволяет избавиться от создающего неудобство шума машины и повысить общую надежность системы. Более того, система может быть относительно легко смонтирована на борту воздушного судна и в ходе процесса испарения может подавать охлаждающую энергию независимо от системы подачи электроэнергии на борту воздушного судна. Наконец, поскольку в системе не используются в качестве хладагента фторуглероды (HFC), она совершенно безопасна с точки зрения экологии и позволяет регулировать удельную теплоемкость, а также регулировать удельное потребление энергии.
В одном предпочтительном варианте осуществления системы охлаждения согласно изобретению первый и/или второй поглотитель/поглотители включен/включены в состав контура охлаждения или системы подачи энергии, которая обеспечивает энергию, требуемую для регенерации первого и/или второго поглотителя/поглотителей. Например, энергию, необходимую для регенерации первого и/или второго поглотителя/поглотителей, можно забрать из отработанного кабинного воздуха, который в результате охлаждается до более низкой температуры. Более высокую общую эффективность воздушного судна получают путем объединения соответствующей изобретению системы охлаждения с другими системами на борту воздушного судна. Более того, можно получить выигрыш в весе. В системе охлаждения согласно изобретению регенерацию поглотителя можно изолировать от охлаждающей функции системы. По этой причине сообщаемая поглотителю энергия регенерации не оказывает влияния на устройство, охлаждаемое с помощью системы охлаждения.
Первый и/или второй поглотитель/поглотители предпочтительно присоединен/присоединены к устройству для отвода текучей среды, которое выполнено с возможностью удаления текучей среды, выделяющейся из первого и/или второго поглотителя/поглотителей во время регенерации первого и/или второго поглотителя/поглотителей. Поэтому в системе охлаждения согласно изобретению текучая среда, выделяющаяся из поглощающей среды в первом и/или втором поглотителе/поглотителях, не возвращается непосредственно в испаритель. По этой причине система охлаждения согласно изобретению является чрезвычайно гибкой в применении. Устройство для отвода текучей среды может, например, включать в себя первую отводную магистраль, соединенную с первым поглотителем, а также вторую отводную магистраль, соединенную со вторым поглотителем. В первой и/или второй отводной магистрали/магистралях можно предусмотреть соответствующие управляющие клапаны, предназначенные для регулирования отвода текучей среды, выделяющейся из первого и/или второго поглотителя/поглотителей. Первая и вторая отводные магистрали могут выходить в общую сборную отводную магистраль.
Устройство для отвода текучей среды можно, например, присоединить к холодильнику, который служит для охлаждения текучей среды, выделяющейся из поглощающей среды в первом и/или втором поглотителе/поглотителях, до нужной температуры. Холодильник, предпочтительно, соединен по потоку с отверстием для впуска текучей среды в испарителе, для того чтобы получить замкнутую систему охлаждения. В системе охлаждения, которая включает в себя несколько испарителей, отверстие для впуска текучей среды в каждом испарителе предпочтительно соединено с отдельной подающей магистралью, в которой имеется управляющий клапан для регулирования подачи текучей среды из холодильника в соответствующий испаритель. Отдельные подающие магистрали могут выходить в сборную подающую магистраль, соединенную с холодильником.
Устройство для отвода текучей среды в системе охлаждения согласно изобретению предпочтительно соединено с системой сточной воды на борту воздушного судна. В этом варианте осуществления системы в испарителе в качестве испаряемой текучей среды используют воду. Воду, которая выделилась из поглощающей среды в первом и/или втором испарителе/испарителях и присутствует в виде пара, отводят из первого и/или второго испарителя/испарителей с помощью устройства отвода текучей среды в систему сточной воды на борту воздушного судна и подают, например, в бак для хранения воды.
Отверстие для подвода текучей среды в испарителе может быть соединено с системой водоснабжения воздушного судна, для того чтобы получить наполовину открытую систему охлаждения, включенную в состав системы водоснабжения воздушного судна.
В одном предпочтительном варианте осуществления системы охлаждения согласно изобретению бак для хранения воды, который задействован в системе распределения воды, используют в качестве испарителя. В системах распределения воды, которые в настоящее время используют на борту воздушного судна для снабжения пассажиров питьевой водой, обычной практикой является охлаждение бака для хранения питьевой воды средствами активного охлаждения, например, при помощи холодильной машины компрессионного типа. Поэтому настоящее изобретение предусматривает комплексную систему распределения/охлаждения воды. Питьевую воду, которая поступает в бак для хранения воды, испаряют и подают в первый и/или второй поглотитель/поглотители, если температура воды, поступающей в бак для хранения воды, превышает требуемое значение. В результате высвобождается охлаждающая энергия, благодаря которой охлаждается неиспарившаяся вода, оставшаяся в баке для хранения воды.
При нормальной работе системы распределения питьевой воды, используемой на борту воздушного судна, в баке для хранения питьевой воды поддерживают определенное избыточное давление для того, чтобы обеспечить напорное давление, требуемое для отбора питьевой воды из бака для хранения питьевой воды. Однако для того, чтобы инициировать описанный выше процесс испарения, в баке для хранения воды необходимо создать пониженное давление. Поэтому бак для хранения воды предпочтительно соединен с системой регулирования давления, которая в соответствии с требованиями создает в баке для хранения воды пониженное или избыточное давление.
В способе охлаждения устройства на борту воздушного судна согласно изобретению в испарителе испаряют текучую среду и устанавливают соединение по потоку между испарителем и первым поглотителем для того, чтобы испаренная в испарителе текучая среда была поглощена средой, содержащейся в первом поглотителе. В предварительно определенный момент, например, когда в первом поглотителе парциальное давление испаренной в испарителе текучей среды становится равным парциальному давлению текучей среды в испарителе, соединение по потоку между испарителем и первым поглотителем прерывают и устанавливают соединение по потоку между испарителем и вторым поглотителем для того, чтобы испаренная в испарителе текучая среда была поглощена средой, содержащейся во втором поглотителе. Энергию регенерации сообщают первому поглотителю, пока испаритель соединен со вторым поглотителем. В способе согласно изобретению соединение по потоку между испарителем и вторым поглотителем может быть соответствующим образом прервано, а вместо этого установлено соединение по потоку между испарителем и первым поглотителем, пока второму поглотителю сообщают энергию регенерации. Таким образом, настоящее изобретение предусматривает способ непрерывного адсорбционного охлаждения устройства на борту воздушного судна.
Способ согласно изобретению реализует непрерывный процесс охлаждения устройства на борту воздушного судна путем попеременного использования первого и второго поглотителей.
Энергию, требуемую для регенерации первого и/или второго поглотителя/поглотителей, предпочтительно обеспечивает контур охлаждения или имеющийся на борту воздушного судна источник энергии, в состав которого включены первый и/или второй поглотитель/поглотители. Таким источником энергии может быть, например, отбираемый от силовой установки воздух.
Текучую среду, выделяющуюся во время регенерации первого и/или второго поглотителя/поглотителей, можно удалить из первого и/или второго поглотителя/поглотителей при помощи устройства для отвода текучей среды, соединенного с первым и/или вторым поглотителем/поглотителями.
Например, выделяющуюся во время регенерации первого и/или второго поглотителя/поглотителей текучую среду можно посредством устройства для отвода текучей среды подавать в холодильник, который, в свою очередь, соединен с отверстием для впуска текучей среды в испарителе.
Выделяющуюся во время регенерации первого и/или второго поглотителя/поглотителей текучую среду можно посредством устройства для отвода текучей среды подавать в систему сточной воды на борту воздушного судна.
В одном предпочтительном варианте осуществления способа охлаждения устройства на борту воздушного судна согласно изобретению воду подают в отверстие для впуска текучей среды в испарителе из системы водоснабжения воздушного судна.
Бак для хранения воды, который задействован в системе распределения воды на борту воздушного судна, предпочтительно используют в качестве испарителя.
Давление в баке для хранения воды можно регулировать при помощи системы регулирования давления, соединенной с баком для хранения воды.
В способе охлаждения устройства на борту воздушного судна согласно изобретению предпочтительно не снижается эффективность охлаждения устройства на борту воздушного судна.
Краткое описание чертежей
Предпочтительные варианты осуществления изобретения подробно объясняются с помощью приложенных схематических изображений, где:
Фиг.1 показывает основную структуру соответствующей изобретению системы охлаждения устройства на борту воздушного судна;
Фиг.2 показывает соответствующую изобретению систему охлаждения устройства на борту воздушного судна, выполненную в виде замкнутой системы;
Фиг.3 показывает соответствующую изобретению систему охлаждения устройства на борту воздушного судна, выполненную в виде наполовину открытой системы; и
Фиг.4 показывает соответствующую изобретению систему охлаждения, в которой бак для хранения воды, предусмотренный на борту воздушного судна в системе распределения воды, используют в качестве испарителя.
Осуществление изобретения
Фиг.1 показывает систему 10 для охлаждения устройства 12 на борту воздушного судна, каковая система включает в себя три испарителя 14, 16, 18, которые размещены в охлаждаемом устройстве 12 на борту воздушного судна. Текучая среда F, например, спирт или вода, поступает в каждый испаритель. Эта текучая среда предназначена для испарения в испарителе 14, 16, 18 и подачи охлаждающей энергии, высвобождающейся при изменении ее агрегатного состояния, в охлаждаемое устройство 12 на борту воздушного судна.
При помощи соединительной магистрали 20 испарители 14, 16, 18 соединены с системой 22 управления, которая выполнена в виде трехходового клапана. При помощи системы 22 управления испарители 14, 16, 18 могут быть соединены с первым 24 или вторым 26 поглотителем или отделены от первого 24 и/или второго 26 поглотителя.
Система 22 управления выполнена в виде трехходового клапана с переменным сечением потока для того, чтобы иметь возможность регулировать подачу текучей среды от испарителей 14, 16, 18 к первому 24 и/или второму 26 поглотителю/поглотителям.
Первый 24 и второй 26 поглотители содержат мелкопористую поглощающую среду 28, например, активированный уголь, цеолит, или силикагель. Поглощающая среда 28 имеет большую поверхность для того, чтобы поглощение испаренной в испарителях 14, 16, 18 текучей среды F происходило лишь в нескольких молекулярных слоях поглощающей среды 28.
Процесс поглощения поглощающей средой 28 текучей среды, испаренной в испарителях 14, 16, 18, сопровождается высвобождением энергии. Поэтому для протекания обратного процесса, то есть выделения молекул из поглощающей среды 28, необходимо обеспечить подвод энергии. В связи с этим первый 24 и второй 26 поглотители соединены с устройством 30, 32 для подачи энергии, посредством которого можно сообщать энергию регенерации первому 24 и второму 26 поглотителям.
Последовательность работы системы 10 охлаждения объясняется ниже. Как уже упоминалось, во время работы системы 10 охлаждения поступающая в испарители 14, 16, 18 текучая среда F испаряется. Высвобождаемую в ходе этого процесса охлаждающую энергию подают в охлаждаемое устройство 12 на борту воздушного судна. Текучую среду F, выходящую из испарителей 14, 16, 18 в газообразном состоянии, подают через систему 22 управления в первый поглотитель 24 для того, чтобы молекулы текучей среды оказались поглощенными поверхностью поглощающей среды 28 в первом поглотителе 24.
Если парциальное давление текучей среды F, испаренной в испарителях 14, 16, 18, стало равным парциальному давлению текучей среды в первом поглотителе 24, значит, поглощающая среда 28 в первом поглотителе 24 стала «насыщенной» и требует регенерации. Для этой цели при помощи устройства 30 подачи энергии первому поглотителю 24 сообщают тепловую энергию. В результате выделяются молекулы текучей среды, поглощенные поверхностью поглощающей среды 28, и вследствие этого поглощающая среда 28 снова готова принять новые молекулы текучей среды.
Во время регенерации поглощающей среды 28 в первом поглотителе 24 система 22 управления прерывает соединение по потоку между испарителями 14, 16, 18 и первым поглотителем 24. В это же время устанавливается соединение по потоку между испарителями 14, 16, 18 и вторым поглотителем 26. Поэтому во время регенерации поглощающей среды 28 в первом поглотителе 24 испаренная в испарителях 14, 16, 18 текучая среда F поступает во второй поглотитель 26, где происходит ее поглощение поглощающей средой 28.
Аналогичным образом, во время регенерации поглощающей среды 28 во втором поглотителе может быть прервано соединение по потоку между испарителями 14, 16, 18 и вторым поглотителем 26, и вместо этого восстановлено соединение по потоку между испарителями 14, 16, 18 и первым поглотителем 24. Таким образом, обеспечивается непрерывный режим работы системы 10 охлаждения. Более того, охлаждаемое устройство 12 на борту воздушного судна изолировано от устройств 30, 32 подачи энергии, которые сообщают энергию регенерации первому и второму поглотителям 24, 26, вследствие чего сообщаемая первому и второму поглотителям 24, 26 энергия регенерации не оказывает воздействия на устройство 12.
Во время работы системы 10 охлаждения поддерживают пониженное давление в испарителях 14, 16, 18 и в первом 24 и/или втором 26 поглотителях, которые соединены с испарителями 14, 16, 18. Охлаждающая способность системы 10 охлаждения контролируется с помощью системы 22 управления, которая регулирует объемный расход текучей среды, подаваемой испарителями 14, 16, 18 на первый 24 и/или второй 26 поглотитель/поглотители. Поэтому температуру охлаждаемого устройства 12 на борту воздушного судна можно задать, соответствующим образом отрегулировав объемный расход текучей среды, поступающей из испарителей 14, 16, 18 в направлении первого 24 и/или второго 26 поглотителя/поглотителей, при помощи системы 22 управления в виде трехходового клапана с переменным сечением потока. Благодаря этому система 10 охлаждения обеспечивает активное управление потреблением тепла.
На фиг.2 показана система 10 охлаждения, выполненная в виде замкнутой системы, которую можно использовать на борту воздушного судна для охлаждения кухни. В системе 10 охлаждения первый 24 и второй 26 поглотители включены в состав контура охлаждения (не показан подробно на фиг.2) для того, чтобы можно было забирать энергию регенерации, сообщаемую первому 24 и второму 26 поглотителям на этапе регенерации, из отработанного кабинного воздуха, удаляемого из кабины воздушного судна. Вследствие этого может быть обеспечен особенно эффективный, с точки зрения энергосбережения, режим работы системы 10 охлаждения, что позволяет повысить общий уровень эффективности воздушного судна.
Первый 24 и второй 26 поглотители системы 10 охлаждения соединены с устройством 34 для отвода текучей среды, при помощи которой можно удалить из первого 24 и второго 26 поглотителей текучую среду F в газообразном состоянии, которая на этапе регенерации выделяется из поглощающей среды 28 в первом 24 и втором 26 поглотителях. Устройство 34 для отвода текучей среды включает в себя первую отводную магистраль 36, соединенную с первым поглотителем 24, а также вторую отводную магистраль 38, соединенную со вторым поглотителем 26. В первой 36 и второй 38 отводных магистралях предусмотрены соответствующие клапаны 40, 42 для управления отводом текучей среды из первого 24 и второго 26 поглотителей.
Первая 36 и вторая 38 отводные магистрали выходят в сборную отводную магистраль 44, которая соединена с холодильником 46. В холодильнике 46 осуществляется охлаждение до нужной температуры текучей среды F, отводимой из первого 24 и второго 26 поглотителей на этапе регенерации первого 24 и второго 26 поглотителей.
Отверстие 48 для выпуска текучей среды в холодильнике 46 посредством сборной подающей магистрали 50 соединено с подающими магистралями 52, 54, 56, по которым охлажденная в холодильнике 46 текучая среда F может быть направлена в испарители 14, 16, 18. В подающих магистралях 52, 54, 56 предусмотрены соответствующие клапаны 58, 60, 62, предназначенные для регулирования подачи текучей среды из холодильника 46 в отдельные испарители 14, 16, 18.
Система 10 охлаждения, показанная на фиг.3, которую можно аналогичным образом использовать для охлаждения кухни, отличается от системы, показанной на фиг.2. Отличие заключается в том, что она выполнена в виде наполовину открытой системы. Отличительной особенностью системы 10 охлаждения по фиг.3 является, в частности, то, что она включена в состав системы водоснабжения, или системы сточной воды на борту воздушного судна, которая не показана подробно. Для этой цели воду из системы водоснабжения воздушного судна направляют к испарителям 14, 16, 18 через сборную подающую магистраль 50 и подающие магистрали 52, 54, 56 в качестве текучей среды F, которая в испарителях 14, 16, 18 должна быть переведена в газообразное состояние.
Первый 24 и второй 26 поглотители при помощи устройства 34 для отвода текучей среды соединены с системой сточной воды на борту воздушного судна, например, с баком для хранения воды. В остальном структура и режим работы системы 10 охлаждения, показанной на фиг.3, соответствуют структуре и режиму работы системы по фиг.2.
На фиг.4 показано специальное применение системы 10 охлаждения, в котором испаритель 14, в который подают текучую среду F для испарения, представляет собой бак для хранения воды, который является частью системы распределения питьевой воды для снабжения пассажиров на борту воздушного судна охлажденной питьевой водой. Испаритель 14 в виде бака для хранения воды соединен посредством магистрали 64 для подачи питьевой воды с системой распределения питьевой воды, которая не показана подробно. В магистрали 64 для подачи питьевой воды предусмотрен клапан 65, при помощи которого регулируют подачу питьевой воды в испаритель 14 в виде бака для хранения воды. Испаритель 14 в виде бака для хранения воды, кроме того, включает в себя кран 66 питьевой воды для отбора охлажденной питьевой воды. Отбор питьевой воды через кран 66 питьевой воды регулируют с помощью клапана 67.
Испаритель 14 дополнительно соединен с системой 68 регулирования давления, которая служит для регулирования давления в испарителе 14 в виде бака для питьевой воды. Система 68 регулирования давления посредством клапана 70 соединена с испарителем 14 и дополнительно может создавать пониженное давление или избыточное давление в испарителе 14.
Первый 24 и второй 26 поглотители системы 10 охлаждения при помощи устройства 34 для отвода воды соединены с системой сточной воды на борту воздушного судна, как в случае системы, показанной на фиг.3.
Последовательность работы системы 10, показанной на фиг.4, объясняется ниже. После охлаждения воды, поступившей в испаритель 14 в виде бака для хранения питьевой воды, до нужной температуры распределения, в испарителе 14 при помощи системы 68 регулирования давления поддерживают избыточное давление для того, чтобы обеспечить давление подачи в кране 66 питьевой воды, требуемое для отбора питьевой воды из испарителя 14.
С другой стороны, если температура питьевой воды в испарителе 14 превышает требуемую температуру отбора, в испарителе, при помощи системы 68 регулирования давления, создают пониженное давление, для того чтобы поступившая в испаритель питьевая вода могла перейти в газообразное агрегатное состояние. Высвобождающуюся при этом охлаждающую энергию можно использовать для охлаждения оставшейся питьевой воды в испарителе 14. В остальном структура и режим работы системы 10 охлаждения по фиг.4 соответствуют структуре и режиму работы системы охлаждения, показанной на фиг.3.