一种利用空气循环供应热水的飞机环境控制系统

一种利用空气循环供应热水的飞机环境控制系统
1.声明：本发明申请是申请日2021年9月6日、申请号202111037255.1、专利名称为“一种利用空气循环供应热水的飞机环境控制系统及方法”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
2.本发明属于空气压缩膨胀循环的工程技术应用，具体来说，涉及一种利用空气循环供应热水的飞机环境控制系统。


背景技术：

3.随着人民生活质量提高以及国际交流的不断增长，飞机已成为最受欢迎的交通工具。为了进一步提高飞机乘客旅途的舒适度，飞机上为乘客提供了生活热水服务，例如空中沐浴间。然而，目前飞机通常采用电加热方式供应热水，这种方式随着飞机热水需求量的增长而产生更大的飞机能源消耗。
4.在所有飞机能源系统中，飞机环境控制系统负责两个关键功能:(1)向防冰系统和乘客空调(pack)提供压缩空气，以及(2)调节客舱温度、压力(t、p)和湿度。因为在传统飞机环境控制系统中，初级换热器和次级换热器等部件能耗过大，而导致除了推进动力系统以外，飞机环境控制系统是最大的能源消耗者。
5.现如今民用航空业的竞争越发剧烈，如何更好利用飞机自身的热能循环，达到减轻飞机环境控制系统能耗并提供更为节能的供应热水方式的设想。本发明提出一种利用空气循环供应热水的飞机环境控制系统，用于优化飞机环境控制系统节能性能，并为飞机供应生活热水，从而对飞机实际运行提供更为节能的方案。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是：提供一种利用空气循环供应热水的飞机环境控制系统，降低换热器的换热温差，从而减轻能量耗散。
7.为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：
8.本发明实施例提供一种利用空气循环供应热水的飞机环境控制系统，包括初级换热器、压缩机、次级换热器、回热器、冷凝器、水分离器、膨胀机、第一气液换热器、第二气液换热器、热水箱、冷水箱和风扇；初级换热器和第一气液换热器连接，冷水箱和第一气液换热器连接，第一气液换热器和热水箱连接，热水箱和第二气液换热器连接，第二气液换热器分别与冷水箱和次级换热器连接，次级换热器和初级换热器连接，第一气液换热器和压缩机连接，压缩机分别与次级换热器和膨胀机连接，膨胀机分别与回热器和冷凝器连接，冷凝器通过水分离器和回热器连接，回热器和次级换热器连接，风扇和初级换热器的出口相对。
9.优选的，所述风扇、膨胀机和压缩机同轴设置。
10.优选的，所述初级换热器、次级换热器、回热器、冷凝器、第一气液换热器、第二气液换热器均是换热单元。
11.优选的，所述初级换热器包括第一热侧引气输入端、第一热侧引气输出端、第一冷侧冲压空气输入端、第一冷侧冲压空气输出端；所述次级换热器包括第二热侧引气输入端、第二热侧引气输出端、第二冷侧冲压空气输入端、第二冷侧冲压空气输出端；所述回热器包括第三热侧引气输入端、第三热侧引气输出端、第一冷侧引气输入端、第一冷侧引气输出端；所述冷凝器包括第四热侧引气输入端、第四热侧引气输出端、第二冷侧引气输入端、第二冷侧引气输出端；所述第一气液换热器包括第五热侧引气输入端、第五热侧引气输出端、冷侧冷源输入端、冷侧冷源输出端；所述第二气液换热器包括热侧热源输入端、热侧热源输出端、第三冷侧冲压空气输入端、第三冷侧冲压空气输出端；所述第一热侧引气输入端与外界相通，所述第一热侧引气输出端和第五热侧引气输入端连接，第五热侧引气输出端和压缩机的压缩机工质输入端连接，压缩机的压缩机工质输出端和第二热侧引气输入端连接，第二热侧引气输出端和第三热侧引气输入端连接，第三热侧引气输出端和第四热侧引气输入端连接，第四热侧引气输出端和水分离器的水分离器工质输入端连接，水分离器的水分离器工质输出端和第一冷侧引气输入端连接，第一冷侧引气输出端和膨胀机的膨胀机工质输入端连接，膨胀机的膨胀机工质输出端和第二冷侧引气输入端连接，第二冷侧引气输出端和外界相通；冷水箱的冷水箱工质输出端和冷侧冷源输入端连接，冷侧冷源输出端和热水箱的热水箱工质输入端连接，热水箱的热水箱工质输出端和热侧热源输入端连接，热侧热源输出端和冷水箱的冷水箱工质输入端连接；所述压缩机是由膨胀机所输出的膨胀功带动运转。
12.与现有技术相比，本发明实施例的利用空气循环供应热水的飞机环境控制系统，可以降低换热器的换热温差，从而减轻能量耗散。本发明使得飞机环境控制系统的初级换热器、次级换热器的换热温差降低，从而降低换热所产生的能量耗散，进而降低系统能耗。本发明还满足了传统飞机环境控制系统所供应的制冷量。本技术中，高温引气通过环境控制系统的换热后，最终以低温引气形式流出系统进入客舱，从而实现飞机环境控制系统所供应的制冷量。同时，本技术还能为飞机提供生活热水，减少飞机上用电量的需求。
附图说明
13.图1是本发明实施例的结构图。
14.其中，初级换热器1、第一热侧引气输入端1a、第一热侧引气输出端1b、第一冷侧冲压空气输入端1c、第一冷侧冲压空气输出端1d、压缩机2、压缩机工质输入端2a、压缩机工质输出端2b、次级换热器3、第二热侧引气输入端3a、第二热侧引气输出端3b、第二冷侧冲压空气输入端3c、第二冷侧冲压空气输出端3d、回热器4、第三热侧引气输入端4a、第三热侧引气输出端4b、第一冷侧引气输入端4c、第一冷侧引气输出端4d、冷凝器5、第四热侧引气输入端5a、第四热侧引气输出端5b、第二冷侧引气输入端5c、第二冷侧引气输出端5d、水分离器6、水分离器工质输入端6a、水分离器引气输出端6b、膨胀机7、膨胀机工质输入端7a、膨胀机工质输出端7b、第一气液换热器8、第五热侧引气输入端8a、第五热侧引气输出端8b、冷侧冷源输入端8c、冷侧冷源输出端8d、第二气液换热器9、热侧热源输入端9a、热侧热源输出端9b、第三冷侧冲压空气输入端9c、第三冷侧冲压空气输出端9d、热水箱10、热水箱工质输入端10a、热水箱工质输出端10b、冷水箱11、冷水箱工质输入端11a、冷水箱工质输出端11b、风扇12。
具体实施方式
15.下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
16.如图1所示，本发明实施例的利用空气循环供应热水的飞机环境控制系统，包括初级换热器1、压缩机2、次级换热器3、回热器4、冷凝器5、水分离器6、膨胀机7、第一气液换热器8、第二气液换热器9、热水箱10、冷水箱11、和风扇12。初级换热器1和第一气液换热器8连接，冷水箱11和第一气液换热器8连接，第一气液换热器8和热水箱10连接，热水箱10和第二气液换热器9连接，第二气液换热器9分别与冷水箱11和次级换热器3连接，次级换热器3和初级换热器1连接，第一气液换热器8和压缩机2连接，压缩机2分别与次级换热器3和膨胀机7连接，膨胀机7分别与回热器4和冷凝器5连接，冷凝器5通过水分离器6和回热器4连接，回热器4和次级换热器3连接，风扇12和初级换热器1的出口相对。
17.上述实施例的控制系统包括飞机环境控制系统和供应热水循环，其中飞机环境控制系统包括初级换热器1、压缩机2、次级换热器3、回热器4、膨胀机7、冷凝器5、水分离器6和风扇12。供应热水循环包括第一气液换热器8、第二气液换热器9、热水箱10和冷水箱11。
18.优选的，所述风扇12、膨胀机7和压缩机2同轴设置。当然，还可以采用其他机械传动装置连接风扇12、膨胀机7和压缩机2。膨胀机7将膨胀功传递到压缩机2和风扇12上。
19.优选的，所述初级换热器1、次级换热器3、回热器4、冷凝器5、第一气液换热器8、第二气液换热器9均是换热单元。初级换热器1、次级换热器3、回热器4和冷凝器5均为气体与气体之间的换热。第一气液换热器8和第二气液换热器9中，均为气体与液体之间的换热。
20.优选的，所述初级换热器1包括第一热侧引气输入端1a、第一热侧引气输出端1b、第一冷侧冲压空气输入端1c和第一冷侧冲压空气输出端1d。次级换热器3包括第二热侧引气输入端3a、第二热侧引气输出端3b、第二冷侧冲压空气输入端3c和第二冷侧冲压空气输出端3d。回热器4包括第三热侧引气输入端4a、第三热侧引气输出端4b、第一冷侧引气输入端4c和第一冷侧引气输出端4d。冷凝器5包括第四热侧引气输入端5a、第四热侧引气输出端5b、第二冷侧引气输入端5c和第二冷侧引气输出端5d。第一气液换热器8包括第五热侧引气输入端8a、第五热侧引气输出端8b、冷侧冷源输入端8c和冷侧冷源输出端8d。第二气液换热器9包括热侧热源输入端9a、热侧热源输出端9b、第三冷侧冲压空气输入端9c和第三冷侧冲压空气输出端9d。第一热侧引气输入端1a与外界相通，所述第一热侧引气输出端1b和第五热侧引气输入端8a连接，第五热侧引气输出端8b和压缩机2的压缩机工质输入端2a连接，压缩机2的压缩机工质输出端2b和第二热侧引气输入端3a连接，第二热侧引气输出端3b和第三热侧引气输入端4a连接，第三热侧引气输出端4b和第四热侧引气输入端5a连接，第四热侧引气输出端5b和水分离器6的水分离器工质输入端6a连接，水分离器6的水分离器工质输出端6b和第一冷侧引气输入端4c连接，第一冷侧引气输出端4d和膨胀机7的膨胀机工质输入端7a连接，膨胀机7的膨胀机工质输出端7b和第二冷侧引气输入端5c连接，第二冷侧引气输出端5d和外界相通；冷水箱11的冷水箱工质输出端11b和冷侧冷源输入端8c连接，冷侧冷源输出端8d和热水箱10的热水箱工质输入端10a连接，热水箱10的热水箱工质输出端10b和热侧热源输入端9a连接，热侧热源输出端9b和冷水箱11的冷水箱工质输入端11a连接；所述压缩机2是由膨胀机7所输出的膨胀功带动运转。
21.第一热侧引气输入端1a与发动机相通，将飞机发动机产生的高温引气通入初级换热器1热侧中。第二气液换热器9的第三冷侧冲压空气输入端9c与外界相通，将舱外的冲压
空气通入第二气液换热器9冷侧中。
22.上述控制系统的控制方法，包括三个流程。
23.第一个流程为：将飞机发动机引气通过初级换热器1的第一热侧引气输入端1a进入控制系统中，引气与初级换热器1冷侧的冲压空气进行热交换，随后，引气和第一气液换热器8中的冷水进行热交换，再经压缩机2加压后排出，流入次级换热器3的热侧与冲压空气进行热交换；然后，冷却的引气依次流入回热器4和冷凝器5的热侧进行再冷却；再冷却后的引气先由水分离器6将引气中的水分分离后，干燥的引气返回到回热器4冷侧进行再热，然后流入膨胀机7进行膨胀作功和进一步冷却，然后，引气流入冷凝器5的冷侧进行再加热，最后通过第二冷侧引气输出端5d流入飞机的混合室中。从第二冷侧引气输出端5d流出的是供应飞机客舱的冷气。
24.第二个流程为：将飞机舱外的低温低压冲压空气首先流入第二气液换热器9的冷侧，经热水预热后流出第二气液换热器9，然后，冲压空气进入次级换热器3，与次级换热器3热侧的高温引气进行热交换后，再流入初级换热器1中，进行热交换，最后通过风扇12将冲压空气排到机舱外。
25.第三个流程为：所述冷水箱11中的冷水进入第一气液换热器8冷侧，冷水和第一气液换热器8热侧的引气进行换热后，升温到设定的热水水温，流入热水箱10中，热水从热水箱10中流出，进入第二气液换热器9热侧，与第二气液换热器9冷侧的进入系统的舱外冲压空气进行换热后，降温到冷水箱水温，流回冷水箱11中。
26.在第一个流程中，引气作为热源，在第一气液换热器8中，和第一气液换热器8冷侧的冷水进行热交换，将冷水升温至热水。
27.所述的控制方法包括自循环模式和供应热水模式。
28.自循环模式中，控制第一气液换热器8和第二气液换热器9中的水流量相同，第一气液换热器8中的冷水在被高温引气加热到热水后，经过热水箱10，流入第二气液换热器9中，对冲压空气进行预热后，水温降至到冷水箱11中同等水温，然后返回到冷水箱11中，形成循环。
29.在自循环模式下，来自冷水箱11中的冷水进入第一气液换热器8中，经过高温引气加热后，以恒定流量进入热水箱10中，然后热水从热水箱10中以相同流量流入第二气液换热器9中，与第二气液换热器9中的低温冲压空气进行换热降温，水温恢复到与冷水箱11中的冷水同等的温度后，流回到冷水箱11中，依次循环下去，从而形成自循环模式。自循环模式中，通过热水循环可以降低压缩机2入口温度，从而改善压缩机2工作状况，减少能耗。自循环模式还能降低初级换热器1和次级换热器3的换热温差，从而减少换热时能量耗散。
30.供应热水模式中，控制第一气液换热器8和第二气液换热器9中的水流速度不同，减少第一气液换热器8中的水流入第二气液换热器9中，没有进入第二气液换热器9中的水，以热水的形式存储在热水箱10中，为飞机提供热水。
31.在供应热水模式下，使用与自循环模式相同的工作原理。但是不同的是通过调节热水箱10中进入第二气液换热器9中的水流量，从而减少了参与飞机环境控制系统的热水量，以生活热水的形式储存在热水箱10中。
32.供应热水模式可以降低压缩机2入口温度，从而改善压缩机2工作状况，减少能耗。自循环模式还能降低初级换热器1和次级换热器3的换热温差，从而减少换热能量耗散。通
过简单地调节两个气液换热器的水流量，减少参与热水循环的热水量，以生活热水形式存储在热水箱10中，从而可以供给飞机用户使用。因此，本发明可以通过控制水流量的方式，更为简单灵活、可调控的在飞机获得热水。
33.本发明实施例改善飞机环境控制系统及飞机供应热水方式带来的能耗过大问题。本实施例的系统中添加了热水循环后，循环的热水对冲压空气进行了预热，降低了初级换热器1和次级换热器3换热温差，从而减少换热能耗；其次，添加了热水循环，压缩机2吸气入口温度下降，改善了压缩机2工作状况，进而减少压缩机2的能耗。通过搭建飞机环境控制系统各部件之间的联系，并利用节约的热量为飞机加热水。本技术利用了原本初级换热器和次级换热因为换热温差过大而耗散的能量加热水。
34.高温高压的引气作为飞机环境控制系统的热源。将发动机产生的高温高压的引气从初级换热器1热侧进入系统中，经过初级换热器1换热后，再进入第一气液换热器8中进行再次降温，降温后的引气进入压缩机2中加压升温后，再流入次级换热器3中进行降温后，流入回热器4热侧换热，然后进入冷凝器5中冷凝，随后进入水分离器6中分离水分。干燥的引气从水分离器6出来后进入回热器4冷侧进行升温，再流入膨胀机7中做功膨胀，温度降低，最后引气流入冷凝器5冷侧升温后满足客舱供冷需求，进入飞机混合室。
35.舱外的低温冲压空气作为飞机环境控制系统的冷源，先从第二气液换热器9的冷侧进入系统，与第二气液换热器9中的热水进行换热后，温度升高，再进入次级换热器3冷侧进行换热，带走次级换热器3热侧引气的热量后，再进入初级换热器1冷侧对高温的引气进行换热后，由风扇12排出舱外。本技术的系统中存在三种工质，即：舱外冲压空气、高温引气和水。通过三种工质的流转，实现飞机上的热水供应和飞机客舱中的冷气供应。
36.系统的自循环模式，是将第一气液换热器8的冷侧与第二气液换热器9的热侧串联起来，从冷水箱11中将冷水抽进第一气液换热器8的冷侧，对第一气液换热器8热侧的引气换热后，冷水升温后，流入第二气液换热器9的热侧，对低温的冲压空气进行预热，从而使得热水降温至冷水箱11水温后，流入冷水箱11中。
37.系统的供应热水模式下，将第一气液换热器8的冷侧与第二气液换热器9的热侧串联起来，从冷水箱11中将冷水抽进第一气液换热器8的冷侧，对第一气液换热器8热侧的引气换热后，冷水升温后，调节热水进入第二气液换热器9中的流量，减少热水进入第二气液换热器9中换热，以生活热水的方式储存在热水箱10中。
38.本技术中的冷水箱11、热水箱10、第一气液换热器8和第二气液换热器9之间形成的水流循环，降低了初级换热器1、次级换热器3的换热温差，从而提高飞机环境控制系统的节能性，并为飞机供应热水。本技术的系统中含有热水循环系统，通过循环中热水对进入系统的舱外冲压空气预热，并且循环中冷水对初级换热器热侧排出的高温引气进行冷却。这样既能减少初级换热器和次级换热器的换热温差过大而产生过大的能量耗散，又能减少降低压缩机入口吸气温度，从而改善压缩机运行工况，降低运行能耗。本技术系统中的热水循环，还可进行简单便捷地水流量调节，减少热水罐中热水的流出，以生活热水的方式储存起来。

技术特征：
1.一种利用空气循环供应热水的飞机环境控制系统，其特征在于，包括初级换热器(1)、压缩机(2)、次级换热器(3)、回热器(4)、冷凝器(5)、水分离器(6)、膨胀机(7)、第一气液换热器(8)、第二气液换热器(9)、热水箱(10)、冷水箱(11)、和风扇(12)；初级换热器(1)和第一气液换热器(8)连接，冷水箱(11)和第一气液换热器(8)连接，第一气液换热器(8)和热水箱(10)连接，热水箱(10)和第二气液换热器(9)连接，第二气液换热器(9)分别与冷水箱(11)和次级换热器(3)连接，次级换热器(3)和初级换热器(1)连接，第一气液换热器(8)和压缩机(2)连接，压缩机(2)分别与次级换热器(3)和膨胀机(7)连接，膨胀机(7)分别与回热器(4)和冷凝器(5)连接，冷凝器(5)通过水分离器(6)和回热器(4)连接，回热器(4)和次级换热器(3)连接，风扇(12)和初级换热器(1)的出口相对。2.按照权利要求1所述的利用空气循环供应热水的飞机环境控制系统，其特征在于，所述风扇(12)、膨胀机(7)和压缩机(2)同轴设置。3.按照权利要求1所述的利用空气循环供应热水的飞机环境控制系统，其特征在于，所述初级换热器(1)、次级换热器(3)、回热器(4)、冷凝器(5)、第一气液换热器(8)、第二气液换热器(9)均是换热单元。4.按照权利要求1所述的利用空气循环供应热水的飞机环境控制系统，其特征在于，所述初级换热器(1)包括第一热侧引气输入端(1a)、第一热侧引气输出端(1b)、第一冷侧冲压空气输入端(1c)、第一冷侧冲压空气输出端(1d)；所述次级换热器(3)包括第二热侧引气输入端(3a)、第二热侧引气输出端(3b)、第二冷侧冲压空气输入端(3c)、第二冷侧冲压空气输出端(3d)；所述回热器(4)包括第三热侧引气输入端(4a)、第三热侧引气输出端(4b)、第一冷侧引气输入端(4c)、第一冷侧引气输出端(4d)；所述冷凝器(5)包括第四热侧引气输入端(5a)、第四热侧引气输出端(5b)、第二冷侧引气输入端(5c)、第二冷侧引气输出端(5d)；所述第一气液换热器(8)包括第五热侧引气输入端(8a)、第五热侧引气输出端(8b)、冷侧冷源输入端(8c)、冷侧冷源输出端(8d)；所述第二气液换热器(9)包括热侧热源输入端(9a)、热侧热源输出端(9b)、第三冷侧冲压空气输入端(9c)、第三冷侧冲压空气输出端(9d)；所述第一热侧引气输入端(1a)与外界相通，所述第一热侧引气输出端(1b)和第五热侧引气输入端(8a)连接，第五热侧引气输出端(8b)和压缩机(2)的压缩机工质输入端(2a)连接，压缩机(2)的压缩机工质输出端(2b)和第二热侧引气输入端(3a)连接，第二热侧引气输出端(3b)和第三热侧引气输入端(4a)连接，第三热侧引气输出端(4b)和第四热侧引气输入端(5a)连接，第四热侧引气输出端(5b)和水分离器(6)的水分离器工质输入端(6a)连接，水分离器(6)的水分离器工质输出端(6b)和第一冷侧引气输入端(4c)连接，第一冷侧引气输出端(4d)和膨胀机(7)的膨胀机工质输入端(7a)连接，膨胀机(7)的膨胀机工质输出端(7b)和第二冷侧引气输入端(5c)连接，第二冷侧引气输出端(5d)和外界相通；冷水箱(11)的冷水箱工质输出端(11b)和冷侧冷源输入端(8c)连接，冷侧冷源输出端(8d)和热水箱(10)的热水箱工质输入端(10a)连接，热水箱(10)的热水箱工质输出端(10b)和热侧热源输入端(9a)连接，热侧热源输出端(9b)和冷水箱(11)的冷水箱工质输入端(11a)连接；所述压缩机(2)是由膨胀机(7)所输出的膨胀功带动运转。

技术总结
本发明公开了一种利用空气循环供应热水的飞机环境控制系统，以减轻能量耗散。控制系统包括初级换热器、压缩机、次级换热器、回热器、冷凝器、水分离器、膨胀机、第一气液换热器、第二气液换热器、热水箱、冷水箱和风扇；初级换热器和第一气液换热器连接，冷水箱和第一气液换热器连接，第一气液换热器和热水箱连接，热水箱和第二气液换热器连接，第二气液换热器分别与冷水箱和次级换热器连接，次级换热器和初级换热器连接，第一气液换热器和压缩机连接，压缩机分别与次级换热器和膨胀机连接，膨胀机分别与回热器和冷凝器连接，冷凝器通过水分离器和回热器连接，回热器和次级换热器连接，风扇和初级换热器的出口相对。扇和初级换热器的出口相对。扇和初级换热器的出口相对。


技术研发人员：程清 上官震 王涵
受保护的技术使用者：南京工业大学
技术研发日：2021.09.06
技术公布日：2023/6/26