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Die Erfindung betrifft ein System zum Verhindern von Vereisungen in einer Rohrleitung.
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In luftführenden Rohrleitungen von Flugzeugklimaanlagen, insbesondere im Bereich eines Ablaufkanals („Discharge Duct”) zwischen Klimapack und Mischkammer, tritt unter bestimmten Betriebsbedingungen an den Rohrinnenwandungen Eiswachstum unterschiedlicher Formen auf. Dies kann ohne Gegenmaßnahmen in kurzer Zeit zu einem völligen Zuwachsen des Rohrquerschnitts führen, woraus unerwünschte Leistungseigenschaften der Klimaanlage resultieren. Besonders treten die kritischen Betriebsbedingungen während des Bodenbetriebs bei feuchtwarmer Außenluft auf, wenn die Klimaanlage eine erwärmte Flugzeugkabine von einer hohen auf eine niedrige Temperatur herunterkühlen muss.
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Unerwünschtes Eiswachstum in Lüftungsrohren wird heutzutage üblicherweise durch periodisch vorgegebene Einspeisung heißer Triebwerkszapfluft („Bleed Air”) verhindert. Da Ungewissheit bezüglich der Eisbildung besteht, ergeben sich auch unnötige Aufheizungen der Ablaufkanäle, die damit den Wirkungsgrad der Klimaanlage deutlich herabsetzen und unnötige Energieverluste bewirken.
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Zur Lösung dieses Problems wurden bisher schon mehrere Konzepte zur Erkennung von Eiswachstum innerhalb von Rohrleitungen versuchsweise eingesetzt, allerdings ohne einen Erfolg hinsichtlich einer zuverlässigen Früherkennung bzw. präzisen Eisdickenmessung zu erzielen. Diese Konzepte umfassen insbesondere auf Ultraschallsensorik basierende Systeme, bei denen sich jedoch durch die empfangenen Signalechos nicht eindeutig die vorliegendem Eisschichten bestimmen lassen. Eine Unterscheidung zwischen dichtem Eis, lockerem Eisschnee und Reflektionen von der gegenüberliegenden Wandung der Rohrleitung gelingt nicht. Innerhalb des Rohrquerschnitts eingesetzte Temperaturfühler sind ebenfalls keine optimale Lösung, da die Temperaturfühler selbst vereisen oder durch Auftreffen von schnell fliegenden Eispartikeln beschädigt werden können. Zusätzlich wird die Strömung innerhalb des Rohrquerschnitts durch die darin angeordneten Temperaturfühler gestört, so dass der von der strömenden Luft zu überwindende Strömungswiderstand steigt. Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Eisschichtdicke in Rohrleitungen stellt die Differenzdruckmessung dar, bei der sich jedoch nach außen durch die Rohrwand durchgeführte Druckmessbohrungen durch Eisbildung verschließen bzw. innerhalb des Rohres eingebaute Drucksensoren vereisen. Demzufolge weisen im Prinzip alle Messtechniken, die auf Messung von Parametern innerhalb des Rohrquerschnitts basieren, die Nachteile einer möglichen Zerstörung der eingesetzten Sensoren oder deren Behinderung durch Vereisung oder Eisteilchenbeschuss auf.
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DE 43 40 871 C1 zeigt ein Verfahren zum Feststellen des Vereisungsgrades eines ältemitttelverdampfers für Kälteanlagen, bei dem ein Verdampfer impulsförmig zu Eigenschwingungen angeregt und das Schwingungsspektrum mit Hilfe einer Fourier-Transformation untersucht wird.
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US 4 461 178 A offenbart ein System zum Detektieren von Flügelvereisung durch Überwachen der Veränderung in der Amplituden-, Phasen- oder Ausbreitungscharakteristik von Biegewellen, die durch die Außenfläche einer Tragfläche übertragen werden.
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US 2002/0088281 A1 offenbart ein Verfahren zur nichtinvasiven Detektion von Korrosion, mikrobiologisch beeinflusster Korrosion und Fremdkörpern in Behältern unter Verwendung geführter Ultraschallwellen.
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WO 00/64737 A1 offenbart einen Ultraschalleisdetektor, der auf die Haut eines Flugzeugs montierbar ist und einen Übertrager aufweist, der mit der inneren Oberfläche der Haut verbunden ist und akustische Vibrationsenergie in die Haut einleitet, die sich als Schwingung in der Haut ausbreitet, von einem Reflektor reflektiert wird und zum Sensor zurückgelangt, wonach das empfangene Signal zum Ermitteln eines Rückschluss über den Zustand der Haut untersucht wird.
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Die Aufgabe der Erfindung ist demnach das Verringern oder Eliminieren der vorangehend genannten Nachteile. Insbesondere ist Aufgabe der Erfindung, ein System vorzuschlagen, mit dem eine präzise zuverlässige Überwachung von Rohrleitungsquerschnitten hinsichtlich Vereisung möglich ist, bzw. ein effizientes System zum Verhindern von Vereisungen in einer Rohrleitung, bei der eine gleichzeitige zuverlässige Überwachung des Rohrleitungsquerschnitts auf Eisbildung erfolgt.
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Die Aufgabe wird gemäß Anspruch. durch ein System zum Messen und Verhindern von Vereisungen in einer Rohrleitung gelöst, das mindestens einen Sensor zum Erfassen von mechanischen Schwingungen der Rohrleitung, eine elektronische Auswerteeinheit und eine elektronische Steuereinheit umfasst, wobei der mindestens eine Sensor mit der elektronischen Auswerteeinheit verbunden ist und die Auswerteeinheit Kenndaten zu dem Schwingungsverhalten der Rohrleitung aufweist und dazu eingerichtet ist, die gemessenen Rohrschwingungen durch ein Modalanalyse-Verfahren auszuwerten, mit den Kenndaten zu vergleichen sowie durch Korrelation als Rohrleitungsvereisung zu interpretieren und bei Rohrleitungsvereisung ein Signal an die Steuereinheit auszugeben.
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Besonders vorteilhaft bei dieser Lösung ist, dass keine Sensoren innerhalb der Rohrleitung integriert werden müssen, sondern lediglich die globalen und lokalen Schwingungen der Rohrleitung ermittelt werden. Voraussetzung für die Verwendung dieses Verfahrens ist, dass die Rohrleitung beim Betrieb der Klimaanlage schwingt. Damit wird das zu überwachende Rohr der Klimaanlage selbst als sensitives Element genutzt. Beispielsweise können von außen an die Rohrleitung geeignete Sensoren angeordnet werden, um Beschleunigungen und/oder lokale Dehnungen der Rohrleitung messen zu können. Als geeignete Sensoren kommen neben vielen anderen exemplarisch elektrodynamische Beschleunigungssensoren, piezoresistive Dehnungsmessstreifen und piezoelektrische Elemente in Betracht. Abhängig von der Masseverteilung der Rohrleitung ändert sich dessen lokales Schwingungsverhalten, so dass durch Vergleich mit zu der Rohrleitung gehörigen Kenndaten eine etwaige lokale Massenzunahme in der Rohrleitung ermittelt werden kann, die auf eine Vereisung innerhalb des Rohrquerschnitts an der überwachten Stelle hindeuten würde. Die ermittelten Schwingungen der Rohrleitung werden in einer zentralen Datenauswerteeinheit durch ein Modalanalyse-Verfahren ausgewertet und mit vorher ermittelten Kenndaten der Rohrleitung verglichen. Falls die Rohrleitung nicht schon selbst durch den Betrieb der Klimaanlage zum Schwingen angeregt wird oder falls die auftretenden Schwingungen für eine präzise Messung der Vereisung nicht ausreichen, können Schwingungen durch einen oder mehrere geeignete elektrodynamische, piezoelektrische oder andere externe Schwingungserreger bewirkt oder verstärkt werden. Besonders vorteilhaft ist, auf dem piezoelektrischen Effekt basierende Sensoren zum Ermitteln der Rohrschwingungen zu verwenden, die alternierend durch Anlegen einer Wechselspannung auch zum Auslösen von Schwingungen verwendet werden können. Der oder die Aktuatoren sind an dafür geeigneten und vorher zu berechnenden, simulierenden oder auszumessenden Stellen der Rohrleitung anzubringen, an denen eine besonders gute Schwingungserregung erfolgen kann.
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Beim Einsetzen von Eiswachstum an einer beliebigen Stelle in der Rohrleitung ändert sich in charakteristischer Weise das lokale und das globale Schwingungsverhalten der Rohrleitung, das durch die von außen aufgebrachten Sensoren erfasst wird. Die erfassten Schwingungen werden durch die zentrale Datenauswerteeinheit analysiert, wobei das Analysieren den Vergleich mit Daten einer eisfreien Rohrleitung und/oder mit experimentell ermittelten Kennfällen spezifischer Vereisung umfasst. Aus einer Korrelation der Kenndaten mit den ermittelten Schwingungsformen lässt sich der Vereisungszustand bestimmen und bei Bedarf – etwa beim Überschreiten einer bestimmten Eisschichtdicke – Steuergrößen für Enteisungsmaßnahmen extrahieren, so dass Enteisungsmaßnahmen ausgelöst werden können, die so lange wirken sollten, bis sich das eisfreie Schwingungsverhalten wieder einstellt.
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Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich durch die Unteransprüche. Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Verhindern von Vereisungen in einer Rohrleitung gelöst.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. In den Figuren werden gleiche Objekte durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigen:
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1: Schematische Übersicht eines erfindungsgemäßen Systems mit autonomer Steuerung der Enteisungsmaßnahme;
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2: Schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Systems mit in das System integrierter Steuerung der Enteisungsmaßnahme;
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3: Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens und
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4a–4d: Dreidimensionale Darstellung des zu überwachenden Rohrs am Beispiel einer Klimaanlage eines Großraumflugzeugs.
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1 zeigt einen Teil einer Flugzeugklimaanlage mit einer Mischkammer 2, einem Klimaaggregat 4 (im folgenden auch „Klimapack” genannt) und einer dazwischen hegenden Rohrleitung 6, etwa in Form eines Ablaufkanals. In der Mischkammer 2 wird aus der Kabine des Flugzeugs austretende Luft mit aus dem Klimapack 4 austretender und aufbereiteter Frischluft gemischt und anschließend mittels eines Rohrleitungssystems zur Kabine geleitet.
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Besonders dann, wenn eine hohe Kühlleistung zum Kühlen der Kabine angefordert wird, ist die in der Rohrleitung 6 transportierte Luft relativ kalt, wodurch es innerhalb der Rohrleitung 6 aufgrund von auskondensiertem und gefrorenem Wasserdampf zu Vereisungseffekten kommen kann. Dabei sammelt sich Eis in einer Schicht an der Innenwandung der Rohrleitung 6 und führt zu einer Verringerung des Rohrquerschnitts. Durch den erhöhten Strömungswiderstand aufgrund des geringeren Querschnitts kann im schlimmsten Fall kaum noch Luft durch die Rohrleitung 6 transportiert werden, so dass die Effizienz der Klimaanlage sinkt.
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An der Außenseite 8 der Rohrleitung 6 sind eine Vielzahl von Sensoren 10 voneinander beabstandet und im Wesentlichen über die gesamte Länge der Rohrleitung 6 angeordnet, die zum Erfassen des Schwingungsverhalten der Rohrleitung 6 dienen. Die Sensoren 10 können dabei exemplarisch als Beschleunigungsaufnehmer, Dehnungsmessstreifen oder Piezoelemente realisiert werden. Jedwede Art von Sensoren 10, die mittels eines beliebigen Wirkprinzips lokale Schwingungen erfassen können, sind für das erfindungsgemäße System geeignet. Als besonders vorteilhafte Sensoren seien an dieser Stelle piezoresistive Dehnungsmessstreifen, piezoelektrische Dehnungssensoren und piezoelektrische Elemente genannt. Die Anordnung der Sensoren ist nicht auf die dargestellte Anordnung in den Figuren beschränkt. So könnten mehr oder weniger Sensoren 10 an eine Rohrleitung 6 angebracht werden, bevorzugt werden jedoch insbesondere solche Bereiche ausgewählt, an denen eine besonders hohe Schwingungsamplitude zu erwarten ist. Die Sensoren 10 sind über Leitungen 12 mit der Auswerteeinheit 14 verbunden, die dazu befähigt ist, die Daten der Sensoren 10 zu analysieren und mit den Kenndaten eines vereisungsfreien und/oder eines vereisten Rohrs mit definierter Schichtdicke zu vergleichen. Die von den Sensoren 10 stammenden Messsignale werden beispielsweise durch eine Modalanalyse einer Berechnung zugänglich gemacht. Wird in der Auswerteeinheit 14 durch die Korrelation der auftretenden Schwingungen mit den Kenndaten festgestellt, dass ein Vereisungszustand vorliegt, wird bevorzugt ein entsprechendes Signal ausgegeben. Die Auswerteeinheit 14 kann beispielsweise über eine Verbindung 16 mit einer Steuereinheit 18 verbunden sein und ein Signal übermitteln, das zu einem Enteisen durch eine entsprechende Temperaturerhöhung der durch das Klimapack 4 abgegebenen Luft führt. Demzufolge ist in der vorgeschlagenen ersten Ausführungsform die Steuereinheit 18 über eine Verbindung 20 mit dem Klimapack 4 verbunden und kann auf den Kälteprozess entsprechend Einfluss nehmen.
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Wird im Laufe der Enteisung durch Messung des Vereisungszustands der Rohrleitung 6 festgestellt, dass die überwachte Rohrleitung 6 eisfrei ist, kann das durch die Steuereinheit 18 abgegebene Signal aufgehoben werden, so dass das Klimapack 4 wieder die vorherige Lufttemperatur annimmt.
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Die Erfassung des lokalen und globalen Schwingungsverhaltens der Rohrleitung 6 kann nur beim Schwingen der Rohrleitung 6 erfolgen. Liegt aufgrund der Durchströmungen der Rohrleitung 6 von Luft keine Schwingung vor, kann diese durch einen Aktuator 22 ausgelöst werden. Der Aktuator 22 kann jede beliebige Bauweise aufweisen, die zum Auslösen einer Schwingung befähigt ist. Vorteilhafterweise werden die Sensoren 10 als piezoelektrische Sensoren ausgeführt, die beim Vorgang des Messens beispielsweise eine der lokalen Schwingungsfrequenz entsprechende Wechelspannung liefern. Gleichermaßen kann durch Anlegen einer dafür geeigneten Wechselspannung an die piezoelektrischen Sensoren 10 eine Schwingung ausgelöst werden. Vorteilhafterweise ist der Aktuator 22 mit der Auswerteeinheit 14 über eine Verbindung 24 verbunden, die zum Auslösen der Schwingungen dient und etwa eine Wechselspannung liefert.
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In 2 wird eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems vorgeschlagen. Sie unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten System dadurch, dass die Steuereinheit 18 mit einer Packregeleinheit 26 über eine Verbindung 28 verbunden ist.
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Zum Gewinnen der Kenndaten der Rohrleitungen 6 beider Ausführungsformen wird exemplarisch ein ortsauflösendes Thermographieverfahren vorgeschlagen. Hierbei kann mit kurzzeitigen hochenergetischen Lichtpulsen der zu untersuchenden Rohrleitung 6 von außen gleichmäßig Energie zugeführt werden, die an der äußeren Rohroberfläche 8 absorbiert wird. Je nach lokaler Wärmekapazität, so etwa zum Einen die Rohrwandung ohne Eis im Vergleich zur Rohrwandung mit Eis, werden unterschiedliche Temperaturerhöhungen entlang der Rohroberfläche 8 erreicht, wodurch einsetzendes Eiswachstum mit Hilfe einer entsprechend empfindlichen Thermographiekamera lokal sichtbar gemacht werden kann. Die Rohrleitung 6 wird bei bekannter Vereisungssituation sodann unter Schwingung versetzt, welche durch die Sensoren 10 erfasst wird. Die so erhaltenen Schwingungsparameter können je nach festgestelltem Vereisungszustand entsprechend aufbereitet und in der Auswerteeinheit 14 gespeichert werden, um später mit im Betrieb ermittelten Schwingungsdaten korreliert werden zu können.
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In 3 werden schließlich die essentiellen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verhindern von Vereisungen in einer Rohrleitung dargestellt. Mit Beginn der Inbetriebnahme der Flugzeugklimaanlage 30 beginnt die Schwingungsmessung 32. Die Schwingungsmessung 32 kann dabei kontinuierlich oder in vorbestimmten Zeitabständen durchgeführt werden. Falls die zu überwachende Rohrleitung 6 keine ausreichenden Schwingungen vollführt, kann optional eine Schwingungserregung 34 in Betrieb genommen werden. Diese Schwingungserregung 34 kann ebenfalls entweder kontinuierlich oder in vorbestimmten Zeitabständen durchgeführt werden, je nachdem, wann die Schwingungsmessung 32 durchgeführt wird. Kontinuierlich oder einmalig beim Messvorgang erfolgt eine Auswertung 36 der Sensordaten innerhalb der Auswerteeinheit 14. Die Auswerteeinheit 14 vergleicht beim Auswertungsvorgang die gemessenen Schwingungsparameter, das heißt zumindest Amplitude und Frequenz, und vergleicht sie mit zu der Rohrleitung 6 gehörigen Kenndaten. Ergibt dieser Vergleich eine Abweichung von den Schwingungsdaten eines vereisungsfreien Rohrs kann etwa über einen Schwellwertalgorithmus bei Überschreiten einer zulässigen Vereisungssituation ein Vereisungssignal 38 aus der Rechnereinheit 14 abgegeben werden. Dieses Vereisungssignal kann in eine Steuereinheit 18 geführt werden, die weitere Maßnahmen zum Lösen der Vereisung ausführt. Diese Steuereinheit 18 könnte in einem weiteren Schritt einer Packregeleinheit 26 mitteilen 40, dass eine vereiste Rohrleitung 6 vorliegt bzw. eine Temperaturerhöhung anfordern.
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Schließlich wird in den 4a–4d die zu überwachende Rohrleitung 6 mittels vier dreidimensionaler Ansichten, die in Form von Ausschnitten des Einbauraums einer Klimaanlage eines Großraumflugzeugs gewählt sind, beispielhaft dargestellt. Deutlich sichtbar ist in den 4a und 4b die Mischkammer der Klimaanlage, die unter anderem mittels der zu überwachenden Rohrleitung 6 mit einem Klimaanlagenaggregat verbunden ist.
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Die Ausführung des erfindungsgemäßen Systems ist nicht auf die Verwendung in Flugzeugen für Rohrleitungen der Klimaanlage beschränkt. Vielmehr kann das erfindungsgemäße System für alle Arten von luftführenden Rohrleitungen verwendet werden, die insbesondere in allen Arten von Fahrzeugen und Gebäuden integriert sind.
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Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.