УСТАНОВКА КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА ВОЗДУШНОГО СУДНА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ЭТОЙ УСТАНОВКИ
AIRCRAFT AIR CONDITIONER AND METHOD OF ITS OPERATION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к установке кондиционирования воздуха воздушного судна, которая включает в себя компрессор, а также двигатель, приводящий в действие компрессор. Кроме того, изобретение относится к способу управления работой такой установки.
Уровень техники
В настоящее время работа установки кондиционирования воздуха, предусмотренной на борту воздушного судна, обычно обеспечивается сжатым воздухом, при этом сжатый воздух либо забирается в виде воздуха, отбираемого от компрессора, соединенного с главным приводным агрегатом, либо вырабатывается компрессором. Если для выработки сжатого воздуха для установки кондиционирования воздуха воздушного судна используется компрессор с электрическим приводом, то электрическая энергия, требуемая для обеспечения питания компрессора, поставляется генераторами, которые приводятся в действие главными приводными агрегатами или вспомогательной газовой турбиной (вспомогательной силовой установкой, ВСУ).
В настоящее время для выработки электрической энергии, требуемой на борту воздушного судна, предпринимаются попытки использования топливной батареи вместо генераторов, приводимых в действие главными приводными агрегатами или вспомогательной турбиной. Однако для того, чтобы зависящее от нагрузки постоянное напряжение, вырабатываемое топливной батареей, могло использоваться большим количеством различных потребителей электроэнергии, снабжаемых электрической энергией через бортовую сеть, необходимо преобразовывать электрическую энергию, выработанную топливной батареей с помощью электрических преобразователей (например, преобразователей постоянный/переменный ток или преобразователей постоянный/постоянный ток), и подавать электрическую энергию через соответствующую систему шин (систему шин переменного тока или систему шин постоянного тока) к отдельным потребителям электроэнергии. Помимо этого необходимые электрические преобразователи создают перебои и помехи в электрической энергии, обеспечиваемой топливной батареей, вследствие чего требуется применение сетевых фильтров с тем, чтобы обеспечить при этом нормальное функционирование компонентов, чувствительных к таким перебоям и помехам. Однако каждое преобразование электрической энергии, вырабатываемой топливными батареями, создает потери, которые неблагоприятно влияют на эффективность общей системы. Кроме того, использование преобразователей и сетевых фильтров требует дополнительного пространства для их установки и в результате приводит к увеличению веса общей системы.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в создании установки кондиционирования воздуха воздушного судна, которая снабжается электрической энергией надежным образом и с высокой эффективностью.
Для того чтобы решить эту задачу, установка кондиционирования воздуха по настоящему изобретению включает в себя компрессор и двигатель, приводящий в действие указанный компрессор. Кроме того, установка кондиционирования воздуха воздушного судна, соответствующая данному изобретению, включает в себя топливную батарею, которая соединяется непосредственно с блоком управления для управления двигателем, приводящим в действие компрессор, при этом блок управления выполнен с возможностью преобразования электрической энергии, вырабатываемой непосредственно топливной батареей, в соответствующие электрические управляющие сигналы для управления двигателем, приводящим в действие компрессор. При этом следует понимать, что под "непосредственным" соединением между топливной батареей и блоком управления для управления двигателем, приводящим в действие компрессор, подразумевается электрическое соединение без промежуточного соединения с отдельными электрическими преобразователями и сетевыми фильтрами. Аналогичным образом, следует понимать, что под электрической энергией, выработанной "непосредственно" топливной системой, подразумевается электрическая энергия, которая не подвергалась ни преобразованию с помощью отдельного электрического преобразователя, ни фильтрации через сетевой фильтр.
Другими словами, блок управления установки кондиционирования воздуха воздушного судна по настоящему изобретению выполнен таким образом, что может непосредственно использовать зависящее от нагрузки постоянное напряжение, вырабатываемое топливной батареей, и может преобразовывать его в соответствующие управляющие сигналы для управления двигателем, приводящим в действие компрессор. Предпочтительно, электрические управляющие сигналы, подаваемые блоком управления, адаптированы к конфигурации двигателя, приводящего в действие компрессор (двигателя переменного тока или двигателя постоянного тока). Таким образом, блок управления выполняет двойную функцию, а именно, с одной стороны, обеспечивает нужное управление двигателем, приводящим в действие компрессор, и вместе с тем обеспечивает снабжение двигателя, приводящего в действие компрессор, электрической энергией.
Установка кондиционирования воздуха воздушного судна по настоящему изобретению может обходиться без использования отдельных электрических преобразователей для преобразования зависящего от нагрузки постоянного напряжения, вырабатываемого топливной батареей, а также без использования сетевых фильтров для фильтрации перебоев и помех в электрической энергии, обеспечиваемой топливной батареей. Таким образом, потребители электроэнергии установки кондиционирования воздуха воздушного судна по настоящему изобретению с помощью топливной батареи могут снабжаться электрической энергией энергоэффективным, экологичным и надежным образом. Наряду с этим установка кондиционирования воздуха воздушного судна по настоящему изобретению имеет относительно простую конструкцию, поскольку обходится без отдельных электрических преобразователей и сетевых фильтров, а также требует меньшего установочного пространства и меньше весит. Дополнительное преимущество заключается в том, что работа топливной батареи может управляться особенно энергоэффективным образом.
Потребители электроэнергии на борту воздушного судна, не считающиеся частью установки кондиционирования воздуха воздушного судна по настоящему изобретению, могут снабжаться электрической энергией с помощью дополнительной топливной батареи, а также с помощью топливной батареи, которая обеспечивает электрической энергией потребителей электроэнергии установки кондиционирования воздуха воздушного судна. Конструктивные элементы, чувствительные к перебоям и помехам в электрической энергии, обеспечиваемой топливной батареей, могут подключаться к топливной батарее посредством промежуточного соединения с отдельным электрическим преобразователем и сетевым фильтром или электрическим преобразователем со встроенным сетевым фильтром. Однако не чувствительные к перебоям и помехам потребители вне установки кондиционирования воздуха воздушного судна по настоящему изобретению могут снабжаться электрической энергией, вырабатываемой топливной батареей, непосредственно, т.е. без присоединения электрического преобразователя и сетевого фильтра. Однако в качестве альтернативы потребители электроэнергии на борту воздушного судна, не считающиеся частью установки кондиционирования воздуха воздушного судна по настоящему изобретению, могут обычным образом снабжаться электрической энергией, вырабатываемой генераторами, которые приводятся в действие главными приводными агрегатами или вспомогательной газовой турбиной воздушного судна.
Предпочтительно, впускное отверстие компрессора соединяется через впускной трубопровод компрессора с воздуховодом установки кондиционирования воздуха воздушного судна. Например, окружающий воздух может протекать через воздуховод установки кондиционирования воздуха воздушного судна, так что окружающий воздух может подаваться из воздуховода установки кондиционирования воздуха воздушного судна через впускной трубопровод компрессора во впускное отверстие компрессора. Однако во впускное отверстие компрессора можно подавать также смесь окружающего воздуха и отработанного воздуха салона, и в этом случае отработанный воздух салона может вводиться, например, через трубопровод отработанного воздуха салона в воздуховод установки кондиционирования воздуха воздушного судна или во впускной трубопровод компрессора.
С другой стороны, предпочтительно, чтобы выпускное отверстие компрессора соединялось с трубопроводом подачи воздуха для подачи воздуха в салон воздушного судна. Таким образом, воздух, сжатый и вследствие этого нагретый в компрессоре, может подаваться через трубопровод подачи воздуха в салон воздушного судна.
В трубопроводе подачи воздуха может располагаться теплообменник, который служит для того, чтобы охлаждать воздух, сжатый компрессором и протекающий через трубопровод подачи воздуха. Предпочтительно, теплообменник располагается в воздуховоде установки кондиционирования воздуха воздушного судна, через который протекает окружающий воздух, так, что воздух, протекающий через трубопровод подачи воздуха, может охлаждаться энергоэффективным образом. Помимо этого в трубопроводе подачи воздуха может быть предусмотрен конденсатор для удаления влаги из воздуха, протекающего через трубопровод подачи воздуха. И, наконец, в трубопроводе подачи воздуха можно расположить турбину, в которой воздух, сжатый компрессором, протекающий через трубопровод подачи воздуха, расширяется и вследствие этого охлаждается до желаемой низкой температуры. Предпочтительно, турбина расположена на общем с компрессором вале, так что энергия, возвращенная при работе турбины, помимо приведения в действие электродвигателя, может использоваться и для приведения в действие компрессора.
Топливный элемент, применяемый в топливной батарее установки кондиционирования воздуха воздушного судна по настоящему изобретению, включает в себя катодную область, а также анодную область, отделенную от катодной области электролитом. При работе топливного элемента водородсодержащий топливный газ подается на анодную сторону топливного элемента, а кислородсодержащий окисляющий компонент, например воздух, подается на катодную сторону топливного элемента. В топливном элементе с мембраной из полимерного электролита (РЕМ-топливном элементе) молекулы водорода вступают в реакцию на анодном катализаторе, присутствующем в анодной области, например, в соответствии с формулой
2
+
-
H→2·H+2·e
и вследствие этого освобождают электроны на электроде с образованием положительно заряженных ионов водорода.
С другой стороны, в других типах топливных элементов, например, таких как топливный элемент на оксидной керамике (SOFC - твердооксидный топливный элемент), имеет место анодная реакция, например, по формуле
2-
-
2
2
О+Н→HO+2·е.
+
Далее в РЕМ-топливном элементе ионы Н, образовавшиеся в анодной области, диффундируют через электролит на катод, где на катодном катализаторе, присутствующем в катодной области и обычно нанесенном на углеродный носитель, они вступают в реакцию с кислородом, подаваемым на катод, а также с электронами, подаваемыми на катод через внешний контур, в соответствии с формулой
2
2
+
-
0,5·O+2·H+2·e→HO,
в результате чего образуется вода.
С другой стороны, в твердооксидных топливных элементах (SOFC) катодная реакция имеет место, например, по формуле
2
-
2-
0,5·O+2·е→О,
2
при этом ионы О диффундируют с катода на анод. Таким образом, отработанный газ из топливного элемента топливной батареи содержит воду.
Следовательно, предпочтительно, выпускное отверстие отработанного газа топливной батареи соединено с трубопроводом подачи воздуха установки кондиционирования воздуха по настоящему изобретению с тем, чтобы использовать воду, содержащуюся в отработанном газе топливного элемента для увлажнения воздуха, подаваемого в салон воздушного судна. Таким образом, помимо электрической энергии, вырабатываемой топливной батареей, для работы установки кондиционирования воздуха воздушного судна по настоящему изобретению может использоваться и вода, образующаяся во время работы топливной батареи.
В предпочтительном варианте осуществления установки кондиционирования воздуха воздушного судна по настоящему изобретению выпускное отверстие компрессора соединяется, например, через впускной трубопровод воздуха с впускным отверстием воздуха топливной батареи с тем, чтобы подавать сжатый компрессором воздух в топливную батарею, т.е. на катодную сторону топливного элемента, предусмотренного в топливной батарее. Впускной трубопровод воздуха топливной батареи может ответвляться, например, от трубопровода подачи воздуха, соединенного с выпускным отверстием компрессора. Таким образом, компрессор установки кондиционирования воздуха воздушного судна по настоящему изобретению используется не только для того, чтобы вырабатывать сжатый воздух для установки кондиционирования воздуха воздушного судна, но и для того, чтобы снабжать сжатым воздухом топливную батарею. Так же, как и при увлажнении воздуха, подаваемого в салон воздушного судна, с помощью содержащего воду отработанного газа из топливной батареи, эффект совместного действия достигается благодаря использованию компрессора для выработки сжатого воздуха для установки кондиционирования воздуха воздушного судна и для топливной батареи.
С помощью компрессора установки кондиционирования воздуха воздушного судна топливная батарея может обеспечиваться сжатым окружающим воздухом. Однако дополнительно или в качестве альтернативы в топливную батарею можно подавать также и отработанный воздух салона. С этой целью трубопровод отработанного воздуха салона воздушного судна может быть соединен с впускным отверстием воздуха топливной батареи. Отработанный воздух салона может подаваться непосредственно в топливную батарею. Тогда трубопровод отработанного воздуха салона воздушного судна может быть соединен, например, непосредственно с впускным отверстием воздуха или впускным трубопроводом воздуха топливной батареи. Однако отработанный воздух салона воздушного судна можно вводить также и в воздуховод установки кондиционирования воздуха воздушного судна или во впускной трубопровод компрессора, так что в топливную батарею подается сжатая компрессором смесь окружающего воздуха и отработанного воздуха салона.
Предпочтительно, охлаждающая система топливной батареи, включенная в установку кондиционирования воздуха воздушного судна по настоящему изобретению, включает в себя теплообменник, расположенный в воздуховоде установки кондиционирования воздуха воздушного судна. Например, теплообменник может быть встроен в охлаждающий контур топливной батареи, так что охлаждающая текучая среда, протекающая через охлаждающий контур, может охлаждаться до желаемой низкой температуры в теплообменнике, расположенном в воздуховоде установки кондиционирования воздуха воздушного судна. Однако дополнительно или в качестве альтернативы избыточное тепло, вырабатываемое топливной батареей, можно подавать в установку кондиционирования воздуха воздушного судна, соответствующую данному изобретению, также и другим образом, а также можно использовать избыточное тепло, например, для того, чтобы нагревать воздух, подаваемый в салон воздушного судна.
В соответствующем изобретению способе управления работой установки кондиционирования воздуха воздушного судна, которая содержит компрессор и двигатель, приводящий в действие компрессор, блок управления для управления двигателем, приводящим в действие компрессор, который соединяется непосредственно с топливной батарей, преобразует электрическую энергию, непосредственно вырабатываемую топливной батареей, в соответствующие управляющие сигналы для управления двигателем, приводящим в действие компрессор.
При этом следует понимать, что под "непосредственным" соединением между топливной батареей и блоком управления для управления двигателем, приводящим в действие компрессор, вновь подразумевается электрическое соединение без промежуточного соединения с отдельными электрическими преобразователями и сетевыми фильтрами. Аналогичным образом, следует понимать, что под электрической энергией, выработанной "непосредственно" топливной системой, вновь подразумевается электрическая энергия, которая не подвергалась ни преобразованию с помощью отдельного электрического преобразователя, ни фильтрации через сетевой фильтр.
В предпочтительном варианте осуществления соответствующего изобретению способа управления работой установки кондиционирования воздуха воздушного судна окружающий воздух, протекающий через воздуховод установки кондиционирования воздуха воздушного судна, подается через впускной трубопровод компрессора во впускное отверстие компрессора.
Предпочтительно, чтобы воздух из выпускного отверстия компрессора подавался через трубопровод подачи воздуха в салон воздушного судна, при этом воздух, протекающий через трубопровод подачи воздуха, может охлаждаться перед поступлением в салон воздушного судна посредством теплообменника, расположенного в трубопроводе подачи воздуха. Теплообменник может располагаться, например, в воздуховоде установки кондиционирования воздуха воздушного судна. Помимо этого из воздуха, протекающего через трубопровод подачи воздуха и сжатого компрессором, может удаляться влага посредством конденсатора, расположенного в трубопроводе подачи воздуха. И, наконец, воздух, сжатый компрессором и протекающий через трубопровод подачи воздуха, может быть проведен через турбину, так что воздух расширяется и вследствие этого охлаждается. Предпочтительно, энергия, возвращенная при работе турбины, используется для приведения в действие компрессора в дополнение к энергии, обеспечиваемой двигателем.
Для того чтобы увлажнить воздух, подаваемый в салон воздушного судна, предпочтительно, содержащий воду отработанный газ из топливной батареи подается от выпускного отверстия отработанного газа топливной батареи в трубопровод подачи воздуха.
В предпочтительном варианте осуществления соответствующего изобретению способа управления работой установки кондиционирования воздуха воздушного судна, воздух, сжатый компрессором, подается во впускное отверстие воздуха топливной батареи, соединенное с выпускным отверстием компрессора, например, через впускной трубопровод воздуха, ответвляющийся от трубопровода подачи воздуха.
Дополнительно или в качестве альтернативы для обеспечения топливной батареи воздухом может использоваться также отработанный воздух салона, отведенный из салона воздушного судна. В этом случае отработанный воздух салона подается в топливную батарею через впускное отверстие воздуха, соединенное с трубопроводом отработанного воздуха салона воздушного судна.
Предпочтительно, охлаждающая текучая среда топливной батареи пропускается через теплообменник, расположенный в воздуховоде установки кондиционирования воздуха воздушного судна, с тем, чтобы энергоэффективным образом охлаждать охлаждающую текучую среду до нужной низкой температуры. Дополнительно или в качестве альтернативы, избыточное тепло, вырабатываемое топливной батареей, также может подаваться в установку кондиционирования воздуха воздушного судна и использоваться, например, для того, чтобы нагревать воздух, подаваемый в салон воздушного судна.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем предпочтительный вариант изобретения будет описан более подробно с помощью прилагаемого чертежа, который схематически иллюстрирует установку кондиционирования воздуха воздушного судна согласно настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
Установка 10 кондиционирования воздуха воздушного судна, проиллюстрированная на фигуре, включает в себя воздуховод 12, через который в направлении стрелки Р протекает окружающий воздух. Воздуховод 12 соединяется через впускной трубопровод 14 компрессора с впускным отверстием 16 компрессора 18. Таким образом, окружающий воздух, протекающий через воздуховод 12, может подаваться через впускной трубопровод 14 компрессора в компрессор 18 и сжиматься компрессором 18.
Компрессор 18 установки кондиционирования воздуха 10 воздушного судна приводится в действие двигателем 20 переменного тока, который управляется с помощью электронного блока 22 управления. Топливная батарея 24 служит для выработки электрической энергии. Электронный блок 22 управления соединяется через электрическую линию 26 непосредственно (т.е. без промежуточного соединения с отдельным электрическим преобразователем) с топливной батареей 24 и выполнен так, что может снабжаться электрической энергией путем зависящего от нагрузки постоянного напряжения, вырабатываемого непосредственно топливной батареей 24. В результате удаления преобразователя, создающего помехи, можно обходиться также и без использования сетевого фильтра между топливной батареей 24 и электронным блоком 22 управления. Электронный блок 22 управления преобразует электрическую энергию, подаваемую в него из топливной батареи 24, в соответствующие электрические управляющие сигналы, которые передаются в приводной двигатель 20 компрессора через электрическую линию 28.
Кроме этого топливная батарея 24 подключается через электрическую линию 29 непосредственно (т.е. без промежуточного соединения с электрическими преобразователями и сетевыми фильтрами) к дополнительным потребителям 30 электроэнергии, не считающимся частью установки 10 кондиционирования воздуха. Точно так же, как электронный блок 22 управления установки 10 кондиционирования воздуха воздушного судна, потребители 30 электроэнергии могут непосредственно обеспечиваться зависящим от нагрузки постоянным напряжением, вырабатываемым топливной батареей 24.
Наконец, топливная батарея 24 подает электрическую энергию через электрическую линию 31 в электрическую сеть 32 воздушного судна. Для того чтобы зависящее от нагрузки постоянное напряжение, вырабатываемое топливной батареей 24, могло быть использовано различными потребителями электроэнергии вне установки 10 кондиционирования воздуха, которые на фигуре не показаны и которые обеспечиваются электрической энергией через сеть 32, электрическая энергия, вырабатываемая топливной батареей 24, преобразуется и фильтруется с помощью встроенного электрического преобразователя/сетевого фильтра 33.
Выпускное отверстие 34 компрессора 18, приводимого в действие двигателем 20, соединяется с трубопроводом 35 подачи воздуха, который служит для того, чтобы подавать воздух в салон 36 воздушного судна. Первый теплообменник 37, размещенный в воздуховоде 12, располагается в трубопроводе 35 подачи воздуха. Этот теплообменник служит для того, чтобы охлаждать воздух, сжатый и вследствие этого нагретый компрессором 18 и протекающий через трубопровод 35 подачи воздуха, путем передачи тепла окружающему воздуху, протекающему через воздуховод 12. Конденсатор 38 для удаления влаги из воздуха, протекающего через трубопровод 35 подачи воздуха, предусматривается ниже по потоку от первого теплообменника 37 в трубопроводе 35 подачи воздуха.
Турбина 40 располагается ниже по потоку от конденсатора 38 в трубопроводе 35 подачи воздуха. Когда воздух, сжатый компрессором 18, протекающий через трубопровод 35 подачи воздуха, проводится через турбину 40, воздух расширяется и вследствие этого охлаждается. Турбина 40 располагается вместе с компрессором 18 на общем вале 42, так что энергия, возвращаемая при работе турбины 40, может использоваться для приведения в действие компрессора 18 помимо энергии приводного двигателя 20 компрессора.
Впускной трубопровод 46 воздуха, соединяющий трубопровод 35 подачи воздуха с впускным отверстием 44 воздуха топливной батареи 24, ответвляется от трубопровода 35 подачи воздуха выше по потоку от первого теплообменника 37. Таким образом, воздух, сжатый компрессором 18, подается не только в салон 36 воздушного судна, но также используется и для того, чтобы обеспечить воздухом топливную батарею 24. Кроме того, отработанный воздух салона подается во впускное отверстие 44 воздуха топливной батареи 24 через трубопровод 47 отработанного воздуха салона 36 воздушного судна.
Охлаждающая система 48 топливной батареи 24, через которую протекает охлаждающая текучая среда, включает в себя второй теплообменник 50, который, точно так же как и первый теплообменник 37, располагается в воздуховоде 12 установки 10 кондиционирования воздуха воздушного судна. Таким образом, окружающий воздух, протекающий через воздуховод 12, может использоваться для охлаждения охлаждающей текучей среды, протекающей через охлаждающую систему 48 топливной батареи 24.
Выпускное отверстие 52 отработанного газа топливной батареи 24 соединяется через трубопровод 54 отработанного газа ниже по потоку от турбины 40 с трубопроводом 35 подачи воздуха. Поскольку при работе топливной батареи 24 образуется вода, то содержащий воду отработанный воздух из топливной батареи может использоваться для увлажнения воздуха, подаваемого в салон 36 воздушного судна.
В установке 10 кондиционирования воздуха воздушного судна, проиллюстрированной на фигуре, во впускное отверстие 16 компрессора подается исключительно окружающий воздух, протекающий через воздуховод 12. Однако во впускное отверстие 16 компрессора можно также подавать и отработанный воздух салона, отведенный из салона 36 воздушного судна и, возможно, смешанный с окружающим воздухом. Например, отработанный воздух салона может вводиться в воздуховод 12 или во впускной трубопровод 14 компрессора.