DE3444012A1

DE3444012A1 - Klimaanlage mit luftumwaelzung

Info

Publication number: DE3444012A1
Application number: DE19843444012
Authority: DE
Inventors: George C. Canton Conn. Rannenberg
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1983-12-12
Filing date: 1984-12-03
Publication date: 1985-06-13
Anticipated expiration: 2004-12-04
Also published as: JPS60138366A; IT1177392B; IT8424013A0; DK160331C; SE8406251L; SE458715B; NO158555B; DK589184A; IT8424013A1; GB2153512B; US4553407A; NO844876L; GB2153512A; IL73715A; DK589184D0; IL73715A0; DE3444012C2; SE8406251D0; NO158555C; GB8430568D0

Description

KLIMAANLAGE MIT LUFTUMWÄLZUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine Klimaanlage mit Luftumwälzung und betrifft insbesondere eine baulich gedrängte Klimaanlage mit einem hohen Wirkungsgrad, welche die Luft in einem geschlossenen Kreislauf umwälzt und entfernt vom Verbraucher bzw. dem zu kühlenden Arbeitskörper liegt.

Klimaanlagen mit Luftumwälzung sind allgemein bekannt und sehr beliebt, um Räume, wie Passagierkabinen in Zivil- und Militärflugzeugen zu kühlen und mit dem richtigen Druck zu versehen. Vor kurzm sind Untersuchungen angestellt worden, inwieweit Klimaanlagen in Räumen für Mannschaften und Ausrüstungsgegenstände in Landfahrzeugen,wie Panzern und anderen militärischen Fahrzeugen eingesetzt werden können, die von Gasturbinenanlagen angetrieben werden. Ein Grund für die Beliebtheit derartiger Klimaanlagen ist das beachtliche Kühlangebot, das von Klimaanlagen mit Luftumwälzung bei einer verhältnismäßig bescheidenen Größe zur Verfugung gestellt wird. Ein anderer Grund für die Beliebtheit derartiger Anlagen ist deren Anpassungsfähigkeit an Fahrzeuge, die von einer Gasturbinenanlage angetrieben werden. Das Austrittsende des Verdichters einer Gasturbinenanlage stellt eine angenehme und brauchbare Quelle einer zu Kühlzwecken verwendbaren Druckluft für die Klimaanlage dar.

Bekannte Klimaanlagen mit Luftumwälzung weisen einen Verdichter auf, welcher die von einer Quelle kommende Druckluft empfängt und weiter verdichtet und die weiterverdichtete Druckluft einem Wärmetauscher zuführt, in welchem die Luft einen Teil ihrer Verdichtungswärme abgibt. Von diesem Wärmetauscher wird die Druckluft einer Emansionsturbine zugeführt, in welcher die Luft Arbeit leist und den Rotor der Turbine antreibt. Die von der Luft geleistete Arbeit führt zu einer raschen Entspannung und Abkühlung der Luft. Die abgekühlte Luft wird dann an einen Verbraucher bzw. Arbeitskörper, wie beispielsweise an die Kabine eines Flugzeugs abgegeben. Die Turbine ist über eine Treibriemen-Anordnung mit dem Verdichter verbunden,

so daß die von einer expandierenden Luft hervorgerufene Drehung des Turbinenrotors die Antriebsenergie für den Verdichter darstellt .

Die bekannten Klimaanlagen mit Luftumwälzung haben größtenteils einen offenen Kreislauf. Dies bedeutet, daß die Kaltluft nach dem Kühlen des Arbeitskörpers die Anlage verläßt und damit über Bord gegeben wird, wobei in einigen Fällen nur ein winziger Teil der Kaltluft zum Austrittsende der Turbine zurückgeführt wird, um das hier vorhandene Eis in einer Weise zu schmelzen, die in der US-PS 4 374 469 angegeben ist.

Obgleich sich die mit einem offenen Kreislauf arbeitenden Klimaanlagen für bestimmte Anwendungsfälle als wirksam erwiesen haben, macht die Notwendigkeit, die Kühlluft ständig aus der Umgebung anzusaugen, diese Klimaanlagen für eine Verwendung in einer verschmutzten und verseuchten Umgebung ungeeignet. Klimaanlagen mit einem geschlossenen Luftkreislauf sind dagegen in der Lage, mit Hilfe einer in sich geschlossenen, umlaufenden Menge an Kaltluft für eine Kühlung zu sorgen. Klimaanlagen mit einem geschlossenen Kreislauf haben einen besseren Wirkungsgrad als Klimaanlagen mit einem offenen Kreislauf und eignen sich mehr für eine Verwendung in einer verseuchten Umgebung, wie sie beispielsweise bei einer chemischen Kriegsführung auftritt. Klimaanlagen mit einem geschlossenen Kreislauf erfordern im allgemeinen die vorstehend erwähnte Wärmeabfuhr an die Umgebung mit Hilfe eines die Wärme ableitenden Wärmetauschers am Austrittsende des Kälteverdichters. Wenn die mit einem geschlosssenen Kreislauf arbeitenden Klimaanlagen in einer verseuchten Umgebung verwendet werden sollen, kann es erforderlich sein, den die Wärme ableitenden Wärmetauscher an einer Stelle anzuordnen, die von der Turbinen-/ Verdichtereinheit der Klimaanlage entfernt ist. Eine derartige entfernte Anordnung des die Wärme ableitenden Wärmetauschers würde lange Wege für die Luftleitung zwischen dem Verdichter und dem die Wärme ableitenden Wärme-

tauscher erforderlich machen, wodurch das gesamte, von der Klimaanlage eingenommene Volumen beträchtlich zunehmen und ein hoher Druckverlust in dem durch die langen Leitungen fließenden Luftstrom entstehen wurden. Darüberhinaus ziehen diese Klimaanlagen einen Nutzung aus der Verwendung eines regenerativen Wärmetausches zwischen der vom Arbeitskörper kommenden Luft und der zum Turbineneinlaß fließenden Luft, was bei einer Anlage mit einem entfernt angeordneten, zu kühlenden Arbeitskörper weitere lange Wege für die Luftleitung bedingt und deshalb zu einem erhöhten Raumbedarf und einer unzulänglichen Wirkungsweise führt. Ein erhöhter Raumbedarf und eine unzulängliche Wirkungsweise können je nach dem Anwendungsfall unerträglich sein.

Es ist deshalb hauptsächlich Ziel und Zweck der Erfindung, eine Klimaanlage mit Luftumwälzung zu schaffen, die eine stark gedrängte Bauform und einen verbesserten Wirkungsgrad hat.

Ferner ist es Ziel und Zweck der Erfindung, eine Klimaanlage mit Luftumwälzung zu schaffen, die minimale Wege für die Luftleitung und minimale Wege für den Wärmetausch von Luft zu Luft hat.

Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung wird eine stark gedrängte Bauform und ein verbesserter Wirkungsgrad bei einer Klimaanlage mit Luftumwälzung dadurch erreicht, daß ein regenerativer Wärmetausch zwischen der Kühlluft stromauf und stromab der Expansionsturbine und einem flüsssigen Wärmetransportmittel vorgesehen wird, das zu und von einem entfernt angeordneten, zu kühlenden Arbeitskörper in einem geschlossenen Umwälzsystem umläuft, wobei es zur Erzielung eines verbesserten Wirkungsgrades nicht erforderlich ist, daß die Kühlluft wie ein Wärmetransportmittel wirkt. Der Wärmetransport wird durch die umlaufende Flüssigkeit erreicht, Die Leitungen, welche die Flüssigkeit führen und den geschlossenen Kreislauf bilden, haben einen kleineren Strömungsquerschnitt als die Luftleitungen. Auf diese Weise wird eine stark gedränge Bauform und ein verbesserter Wirkungsgrad erreicht.

Nach einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung kann der die Wärme ableitende Wärmetauscher, welcher die vom Verdichter kommende Luft durch Wärmeabgabe an die Umgebung kühlt, entfernt vom Luftkreislauf der Klimaanlage angeordnet und in eine Wärmeübertragungs-Beziehung mit dem geschlossenen Umwälzsystem gebracht werden. Die Flüssigkeit sorgt hierdurch nicht nur für ein regeneratives Vorkühlen der zum Turbineneinlaß fließenden Luft, sondern stellt auch ein Mittel dar, durch welches die vom Verdichter kommende Luft zusammen mit dem Arbeitskörper gekühlt wird, indem die Wärme mit Hilfe einer Flüssigkeit anstelle eines Gases abgeführt wird. Hierdurch wird weiterhin eine stark gedrängte Bauform und ein verbesserter thermodynamischer Wirkungsgrad erzielt.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Klimaanlage mit Luftumwälzung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ersten Abwandlungsform einer Klimaanlage mit Luftumwälzung, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Abwandlungsform der erfindungsgemäßen Klimaanlage mit Luftumwälzung.

Es wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen. Eine mit Luftumwälzung arbeitende Klimaanlage 10 wird von einer Gasturbinenanlage 15 gespeist und angetrieben. Die Klimaanlage Io sorgt für eine Kühlung eines Verbrauchers oder Arbeitskörpers 20. Die Gasturbinenanlage 15 weist einen Verdichter 22 auf, der von einer Turbine 25 angetrieben wird. Die Rotoren der Turbine und des Verdichters sind durch eine Welle 30 miteinander verbunden. Die Welle 30 weist ein Kegelrad - Getriebe 35 auf. Wie dies bei Gasturbinen-

anlagen allgemein bekannt ist, wird Luft in den Verdichter gesaugt, worauf die angesaugte Luft auf einen erhöhten Druck verdichtet, vom Verdichter am Austrittsende 37 abgegeben und mit Brennstoff in einem Brenner 40 gemischt wird, in welchem das Luft- / Brennstoffgemisch verbrannt wird. Die aus dem Brenner 40 austretenden Verbrennungsprodukte werden der Turbine 25 zugeführt, wodurch die Turbine angetrieben wird, um sowohl den Verdichter anzutreiben, als auch einen brauchbaren Schub durch eine Schubdüse 45 zu erzeugen.

Die Luft aus dem Austrittsende 37 des Verdichters der Gasturbinenanlage 15 speist die Klima- oder Kälteanlage 10 über eine Leitung 50, die ein Steuerventil 55 aufweist. Die der Klimaanlage zugeführte Luft hat in der Regel einen Druck im Bereich von 2,11 bis 8.44 kp/cm² (30 - 120 psi). Die eingespeiste Luft wird von der Leitung 50 über eine Leitung 65 einem geschlossenenen Kreislauf der Klimaanlage 10 zugeführt. Die Kühlluft wird über eine Leitung 65 einem Verdichter 75 zugeführt, welcher von der Gasturbinenanlage 15 über das Getriebe 35 und die mit Zahnrädern versehenen Wellen 77 und 79 angetrieben wird. Der Verdichter 75 verdichtet die Kühlluft und gibt sie über eine Leitung 85 an einen regenerativen Wärmetauscher 80 ab, der vor dem Einlaß einer Expansionsturbine 90 auf deren Hochdruckseite liegt. Die Luft wird vom regenerativen Wärmetauscher 80 direkt an die Expansionsturbine 90 abgegeben. Der Rotor der Turbine 90 ist über eine Welle 95 mit dem Rotor des Verdichters 75 verbunden. Die verdichtete Luft treibt beim Durchtritt durch die Turbine 90 den Turbinenrotor und damit die Welle 95 an, wodurch am Rotor des Verdichters Arbeit geleistet und eine Expansion der Luft in der Turbine erreicht wird, wobei die Luft etwa um 37°C (loo Fahrenheit) gekühlt wird, wenn der Druck um ein Druckverhältnis von 3:1 gesenkt wird. Die gekühlte und entspannte Luft tritt aus der Turbine aus und wird direkt einem Wärmetauscher 100 zugeführt, der auf der NiGderdruckseite der Expansionsturbine 9o liegt. Der

Wärmetauscher 100 weist einen mit dem Arbeitskörper in Verbindung stehenden Abschnitt 105 und einen regenerativen Abschnitt 110 auf. Die entspannte Kühlluft wird von dem auf der Niederdruckseite liegenden Wärmetauscher 100 über die Leitung 65 zum Verdichter 75 zurückgeführt, in welchem die entspannte Luft wieder verdichtet wird. Das Steuerventil 55 wird in Abhängigkeit von einem Temperaturfühler 110 A betätigt, der im Arbeitskörper 20 angeordnet ist. Dieser Temperaturfühler gibt Signale ab, die der Temperatur des Arbeitskörpers 20 entsprechen. Die Signale des Temperaturfühlers werden über eine Leitung 125 einer Steuer- Betätigungseinrichtung 120 zugeführt. Eine Steuer-/ Betätigungseinrichtung 130 empfängt von einem Druckfühler 135 über eine Leitung 140 ein Signal, das dem Druck in der Leitung 50 entspricht. Die beiden Steuer- /Betätigungseinrichtungen und 130 stellen das Steuerventil 55 ständig nach_; um die gewünschten Temperaturen und Drücke in Abhängigkeit von den von den Wärmefühlern 110 A und 140 empfangenen Signalen und in Abhängigkeit von den an die Steuer-/Betätigungseinrichtungen angelegten Eingangssignalen aufrecht zu erhalten, die den gewünschten Temperaturen und Drücken entsprechen.

Die Energie, die der Kälteanlage von der Gasturbinenanlage 15 zugeführt wird, und die abgegebene Kühlleistung der Anlage werden vom Steuerventil 55 gesteuert. Bei stabilen Betriebszuständon, d.h. wenn die von der Anlage 10 abflepjebene Kühlleistuni', gleich der vom Arbeitskörper angeforderten Leistung ist, wird das Steuerventil 55 von den Steuer- /Betätigungseinrichtungen 120 und 130 in einem im wesentlichen geschlossenen Zustand gehalten. Das Steuerventil 55 wird nur geöffnet, um evt. Undichtigkeiten und etwaige aus der Anlage entwichene Luft auszugleichen. Die verschiedenen Drücke und Durchflußmengen innerhalb der Anlage bleiben konstant, wenn die Kühlleistung unverändert ist. Wenn der Kältebedarf des Arbeitskörpers 20 zunimmt_;wird der Druck der Kühlluft angehoben. Die Steuer-/Betätigungseinrichtungen 120 und 130 öffnen in diesem Fall

das Steuerventil 55 in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Wärmefühlers 110 Ajwodurch der Druck der Kühlluft in der Anlage ansteigt, um die Leistungsfähigkeit und damit die Ausgangsleistung zu erhöhen. Für den Fall, daß der Arbeitskörper einen geringeren Kältebedarf hat, schließt die Steuer-/Betätigungseinrichtung 120 das Steuerventil 55, wodurch das Entweichen der Luft aus der Anlage aufgrund von normalen Undichtigkeiten mit der Zeit den Druck der Kühlluft in der Anlage herabsetzt, wodurch der Strom der Kaltluft und damit die von der Anlage abgegebene Kühlleistung verringert wird. Gleichzeitig wird die vom Verdichter 75 aufgenommene Wellenenergie und die kinetische Energie gesenkt, die von der Luft aus dem Austrittsende des Verdichters der Gasturbinenanlage aufgebracht wird. Dies verringert natürlich die Energie, die von der Gasturbinenanlage 15 für den Antrieb der Klimaanlage aufzubringen ist. Die Klimaanlage 10 weist ein geschlossenes Umwälzsystem einer Flüssigkeit auf, welches den auf der Hochdruckseite liegenden, regenerativen Wärmetauscher 80, den entfernt angeordneten, die Wärme ableitenden Wärmetauscher 150, den auf der Niederdruckseite liegenden Wärmetauscher 100 und den Verbraucher bzw. Arbeitskörper 20 miteinander in Reihe verbindet. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, weist das geschlossene, flüssige Umwälzsystem eine Leitung 155 auf, welche den Arbeitskörper 20 mit dem Einlaß des auf der Hochdruckseite liegenden, regenerativen Wärmetausches 80 verbindet. Das geschlossene, flüssige Umwälzsystem besitzt ferner eine Pumpe 160, die irgendwo im Kreislauf angeordnet ist, um ein flüssiges Kühlmittel, wie Äthylenglykol oder irgendein anderes geeignetes Wärmetransportmittel durch den Kreislauf zu pumpen. Eine Leitung 165 verbindet das Austrittsende des regenerativen Wärmetauschers 80 mit dem Einlaß des die Wärme ableitenden Wärmetauschers 15 Der Auslaß des Wärmetauschers 150 ist über eine ' itung 170 mit dem Einlaß des regenerativen Abschnitts 110 ies auf der Niederdruckseite liegenden Wärmetauschers 100 verbunden. Die Austrittsseite des regenerativen Abschnitts 110 1st über eine Leitung 175 mit dem

Einlaß des dem Arbeitskörper zugeordneten Abschnittes 105 des auf der Niederdruckseite liegenden Wärmetauschers verbunden. Der Auslaß des dem Arbeitskörper zugeordneten Abschnittes ist über eine Leitung 180 mit dem Arbeitskörper 20 verbunden, Das flüssige Kühlmittel wird aus dem Arbeitskörper 20 in die Pumpe 160 gesaugt und wiederholt durch das soeben beschriebene, geschlossene Umwälzsystem hindurchgeschickt.

Wenn das flüssige Kühlmittel in Richtung der Pfeile umläuft, nimmt das Kühlmittel in dem auf der Hochdruckseite liegenden, regenerativen Wärmetauscher 80 Wärme auf , worauf das Kühlmittel durch die Leitung 165 fließt und dann mindestens einen Teil der aufgenommenen Wärme an ein Kühlmittel (in den meisten Fällen Umgebungsluft) abgibt, das durch den die Wärme abgebenden Wärmetauscher 150 in Richtung des Pfeiles 152 fließt. Das flüssige Kühlmittel fließt dann durch die Leitung 170 zum regenerativen Abschnitt 110 des auf der Niederdruckseite liegenden Wärmetauschers 100, wo das flüssige Kühlmittel durch Kaltluft gekühlt wird, die von der Expansionsturbine 90 kommt. Das flüssige Kühlmittel wird ferner in dem dem Arbeitskörper zugeordneten Abschnitt 105 des auf der Niederdruckseite liegenden Wärmetauschers 100 gekühlt. Das flüssige Kühlmittel fließt vom Abschnitt 105 des Wärmetauschers 100 durch den Arbeitskörper 20, wo es Wärme aufnimmt. Hierdurch wird die erforderliche Kühlung erzielt. Das flüssige Kühlmittel wird dann mit Hilfe der Pumpe 160 wieder durch das Umwälzsystem hindurchgeschickt. Das geschlossene Umwälzsystem für die Flüssigkeit weist auch eine Zweigleitung 185 auf, welche den Einlaß des dem Arbeitskörper zugeordneten Abschnittes 105 mit dem vom Arbeitskörper kommenden, flüssigen Kühlmittel verbindet. Der von der Pumpe 160 kommende, flüssige Kühlmittelstrom wird daher aufgespalten. Ein Teil des Kühlmittelstroms fließt durch den auf der Hochdruckseite liegenden regenerativen Wärmetauscher 80 und das vorstehend beschriebene, geschlossene Umwälzsystem. Der Rest des flüssigen Kühlmittels wird durch die Zweigleitung 185 mit einer darin

angeordneten Düse 190 abgezweigt und dem Einlaß des dem Arbeitskörper zugeordneten Abschnitts 105 zugeführt. Dieser Teil des Kühlmittelflußes läuft durch den dem Arbeitskörper zugeordneten Abschnitt hindurch und wird dann über die Leitung 180 dem Arbeitskörper 20 zugeführt und über die Leitung 155 zur Pumpe 160 zurückgeführt. Wie der Fachmann erkennt, macht es die Zweigleitung 185 möglich, daß ein Teil des Flüssigkeitsstroms im geschlossenen Umwälzsystem zwischen dom Arbcltskörper und dem dem Arbeitskörper zugeordneten Abschnitt des auf der Niederdruckseite liegenden Wärmetauschers hindurchfließt, ohne daß dieser abgezweigte Teil des Flüssigkeitsstroms durch den auf der Hochdruckseite liegenden, regenerativen Wärmetauscher hindurchlaufen und die hiermit verbundene Wärme absorbieren muß. Hierdurch ist ein Teil der Kühlleistung des durch die Zweigleitung fließenden Kühlmittels nur für die Kühlung des Arbeitskörpers reserviert, ohne daß das durch die Zweigleitung fließende Kühlmittel von der warmen Luft aus dem Verdichter in dem auf der Hochdruckseite liegenden regenerativen Wärmetauscher 80 erwärmt wird. Das durch die Zweigleitung 185 fließende Kühlmittel wird durch die Größe der Düsenöffnung 190 bestimmt. Die Größe der DUsenöffnung wird in Abhängigkeit von gewissen Faktoren bestimmt, wie beispielsweise die Eigenschaften des Luftstromes durch den Luftkreislauf der Klimaanlage 10, die Kühlmittelströmung durch den Arbeitskörper und die Kühlmittelströmung durch den auf der Hochdruckseite liegenden, regenerativen Wärmetauscher. Eine maximale Kühlung läßt sich durch folgende Gleichung erreichen:

^WLuft * ^Cp Luft

-si. 0

^wregen. Kühlmittel * ^c ρ regen. Kühlmittel

Hierin bedeuten:

^WLuft ^{und c}p Luft ^{die Durchsatzmen}g^{e bz}w. die spezifische Wärme des Luftstromes, der durch den Hauptkreislauf der Klimaanlage fließt und

w rr-t-n · J.4. η und c ry-i-T · λ.*- τ die Durchsatzmenge regen. Kuhlmittel ρ regen. Kuhlmittel ^ö

bzw. die spezifische Wärme des flüssigen Kühlmittels, das durch den auf der Hochdruckseite liegenden, regenerativen Wärmetauscher 80 und durch den auf der Niederdruckseite liegenden, regenerativen Wärmetauscher 110 hindurchfließt.

Die minimale Antriebsenergie für den Antrieb der Klimaanlage 10 wird bei folgender Beziehung erreicht:

Arbeitskörper Kühlmittel ^cp Arbeitskörper Kühlmittel

2.5

^wregen. Kühlmittel ρ regen. Kühlmittel Hierin bedeuten:

^wArbeitskörper Kühlmittel ^{und c}p Arbeitskörper Kühlmittel ^die Durchsatzmenge bzw. die spezifische Wärme des flüssigen Kühlmittels, das durch den Arbeitskörper hindurchfließt, und

w τ.γ··ι-ι -4.4. τ ^und c τΛ··ν,τ -j.+. ^ die Durchsatzmenge regen. Kuhlmittel ρ regen. Kuhlmittel ^&

bzw. die spezifische Wärme des flüssigen Kühlmittels, das durch den auf der Hochdruckseite liegenden, regenerativen Wärmetauscher hindurchfließt.

Aus diesen beiden Gleichungen kann die Durchsatzmenge durch die Zweigleitung 185 für eine maximale Kühlung und für eine minimale Eingangsleis.tung errechnet, werden. Auf diese Weise kann die Größe der DUsenöffnung 190 leicht bestimmt werden.

In Fig. 2 ist eine erste Abwandlungsform der Klimaanlage gemäß der Erfindung gezeigt. In den Figuren 1 und 2 werden gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile verwendet. Wie der Fachmann erkennt, besteht der einzige Unterschied zwischen den beiden AusfUhrungsformen nach den Fig. 1 und 2 darin, daß bei der AusfUhrungsform nach Fig. 1 ein einziges, flüssiges Umwälzsystem vorhanden ist, während bei der ersten Abwandlungsform

gemäß Fig. 2 zwei getrennte und voneinander unabhängige, flüssige Umwälzsystemeverwendet werden. Bei der Abwandlungsform nach Fig. 2 ist das Austrittsende der Pumpe 160 wie bei der Klimaanlage nach Fig. 1 mit dem auf der Hochdruckseite liegenden, regenerativen Wärmetauscher 80 verbunden, dessen Austrittsende wiederum durch die Leitung 165 mit dem die Wärme ableitenden Wärmetauscher 150 verbunden ist. Das flüssige Kühlmittel tritt aus dem die Wärme ableitenden Wärmetauscher aus und wird über eine Leitung 170 dem Abschnitt 110 des auf der Niederdruckseite liegenden, regenerativen Wärmetauschers 100 zugeführt. Das Austrittsende des regenrativen Abschnitts 110 ist jedoch nicht mit dem Arbeitskörper sondern über eine Leitung 200 mit der Pumpe 160 verbunden. Das Kühlmittel in diesem äusseren Kreislauf gibt die Wärme, die in dem auf der Hochdruckseite liegenden, regenerativen Wärmetauscher 80 aufgenommen worden ist, an den die Wärme abführenden Wärmetauscher 150 und an den Abschnitt 110 des auf der Niederdruckseite liegenden Wärmetauschers 100 ab. im Wärmetauscher 150 und im Abschnitt 110 des Wärmetauschers wird die Wärme an die Umgebung bzw. an die aus der Turbine kommende , gekühlte Luft abgegeben, ohne daß der Arbeitskörper gekühlt wird. Die Kühlung des Arbeitskörpers wird ausschließlich vom zweiten bzw. inneren geschlossenen, flüssigen Kreislauf vorgenommen. Das flüssige Kühlmittel des zweiten Kreislaufs wird nach dem Kühlen des Arbeitskörpers 20 von einer zweiten Pumpe 210 über eine Leitung 220 zurück zu dem mit dem Arbeitskörper in Verbindung stehenden Abschnitt 105 geführt, ohne daß die Wärme der aus dem Verdichter austretenden Luft im regenerativen Wärmetauscher aufgenommen wird. Die Durchflußmengen durch das erste und zweite geschlossene Umwälzsystem können durch die vorstehend angegebenen Gleichungen bestimmt werden, in denen die Durchsatzmengen und die spezifischen Wärmen der Luft und des flüssigen Kühlmittels bei ihrem Durchfluß durch die Klimaanlage enthalten sind.

Die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Klimaanlagen haben eine stark gedrängte Bauform, die darauf zurückzuführen ist, daß der gesamte Wärmetausch von Luft zu Luft beseitigt worden ist, und der gesamte Wärmetausch in den Klimaanlagen durch gedrängtere Wärmetauscher mit einem Wärmetausch von Luft zu Flüssigkeit erreicht wird. Wenn der Arbeitskörper 2o und der die Wärme abführende Wärmetauscher 150 von der Turbinen-/ Verdichtereinheit des Luftumwälzsystems entfernt angeordnet sind, ist die Verwendung einer Flüssigkeit anstelle von Luft als Wärmeübertragungsmittel zwischen der Turbinen-/Verdichtereinheit und den Wärmetauschern für die Wärmeabfuhr und den Arbeitskörper vorteilhaft. Die Verwendung einer Flüssigkeit anstelle von Luft verringert nicht nur die Druckverluste für einen gesteigerten Wirkungsgrad, sondern verbessert auch die gedrängte Bauform, indem lange Strecken an Luftleitungen gegen Flüssigkeitsleitungen mit einem wesentlich geringeren Querschnitt ausgetauscht werden.

In Fig. 3 ist eine zweite Abwandlungsform der Klimaanlage gemäß der Erfindung gezeigt. Bei der Ausführungsform in Fig. 3 wird eine absolute Minimierung der Anlagengröße nicht gefordert. Es ist daher ein Wärmetausch von Luft zu Luft möglich. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird die aus dem Verdichter 75 austretende Luft durch Umgebungsluft in einem die Wärme abführenden Wärmetauscher 225 gekühlt. Das geschlossene Umwälzsystem verbindet daher den Arbeitskörpe^ den auf der Hochdruckseite liegenden Wärmetauscher und die beiden Abschnitte des auf der Niederdruckseite liegenden Wärmetauschers miteinander in Reihe. Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform hat die gleiche Arbeitsweise wie die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen mit der Ausnahme, daß in dem die Wärme abführenden Wärmetauscher ein Wärmetausch von Luft zu Luft vorgesehen ist. Das Kühlmittel fließt durch den geschlossenen Kreislauf hindurch, nimmt von der aus dem Verdichter 75 austretenden Luft Wärme in dem auf der Hochdruckseite liegenden Wärmetauscher 8o auf,

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und gibt die Wärme in den beiden Abschnitten 110 und 105 des auf der Niederdruckseite liegenden Wärmetauschers 100 ab, worauf das Kühlmittel durch den Arbeitskörper hindurchfließt, um dem Arbeitskörper Wärme zu entziehen. Die Ausführungsform nach Fig. hat die Vorteile eines hohen Wirkungsgrades und einer gedrängten Bauweise, die anstelle eines mit Luft arbeitenden Wärmetransportsystems mit einem flüssigen Wärmetransportsystem verbunden ist, um Wärme vom Arbeitskörper abzuziehen und einen regenerativen Wärmetausch zu schaffen.

Obgleich besondere Ausführungsformen gemäß der Erfindung gezeigt worden sind, sei festgestellt, daß verschiedene Abweichungen von der vorstehenden Offenbarung für einen Durchschnittsfachmann auf der Hand liegen. Obgleich beispielsweise die hier gezeigten Klimaanlagen von einer Gasturbinenanlage gespeist und angetrieben werden, sei festgestellt, daß andere Einrichtungen zum Antreiben (Elektromotore) und Speisen der Klimaanlage vorgesehen werden können, ohne von der Erfindung abzuweichen. Derartige Abweichungen sollen in Verbindung mit den Ansprüchen unter den Geist und Umfang der Erfindung fallen.

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Claims

.-Chom. Dr. Steffen ANDv5AE »7 4 4 4 O 1 2 .ChGm. Dr. S DlDl.-Phys. Dieter FLACH DIpI .-!ng. Dietmar HASJG Dipl.-Chem. Dr. Richard KNEISSL PATENTANWÄLTE Steinstr. 44, D-8000 München 80 Anm.: United Technologies Corporation Hartford, Ct., V. St. A. AZ.: 277 Zi/Ul KLIMAANLAGE MIT LUFTUMWÄLZUNG Patentansprüche

1.· Klimaanlage mit Luftumwälzung mit einem Verdichter, -Welcher die zugeführte Luft verdichtet und an eine Expansionsturbine abgibt, welche die verdichtete Luft entspannt und kühlt, um einen Arbeitskörper zu kühlen, sowie mit einem auf der Hochdruckseite der Turbine liegenden , regenerativen Wärmetauscher, in welchem die verdichtete Luft vor der Entspannung in der Turbine von der gekühlten Luft vorgekühlt wird, gekennzeichnet durch einen auf der Niederdruckseite der Turbine angeordneten Wärmetauscher (100), durch welchen die von der Expansionsturbine (90) kommende, entspannte und gekühlte Luft hindurchfließt;

ein geschlossenes flüssiges Umwälzsystem, von dem Abschnitte in einer Wärmetauschbeziehung mit der verdich-

teten Luft im regenerativen Wärmetauscher (80) und mit der gekühlten Luft in dem auf der Niederdruckseite liegenden Wärmetauscher (100) stehen; wobei die Flüssigkeit im geschlossenen Umwälzsystem umläuft und den Luftstrom der Klimaanlage kühlt, indem dem Luftstrom im regenerativen Wärmetauscher (80) Wärme entzogen und die entzogene Wärme an die gekühlte Luft in dem auf der Niederdruckseite liegenden Wärmetauscher (100) abgegeben wird. .

2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt des geschlossenen Umwälzsystems in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit dem Arbeitskörper steht, welcher durch eine durchfließende Flüssigkeit gekühlt wird, und daß der auf der Niederdruckseite liegende Wärmetauscher (100) einen Abschnitt (105) für den Arbeitskörper und einen regenerativen Abschnitt(110) aufweist, und daß die Flüssigkeit beim Durchlaufen des Abschnittes (105) für den Arbeitskörper Wärme abgibt, welche der Flüssigkeitsstrom beim Durchlaufen des Arbeitskörpers (20) aufgenommen hat, und daß die Flüssigkeit beim Durchlaufen des regenerativen Abschnittes(110) Wärme abgibt, welche der verdichteten Luft im regenerativen Wärmetauscher (80) entzogen worden ist.

3. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Wärme abführender Wärmetauscher (150) entfernt von der Turbinen-/Verdichtereinheit angeordnet ist und ein Abschnitt des geschlossenen, flüsägen Umwälzsystems in einer Wärmetauschbeziehung mit der Umgebungsluft in dem die Wärme abführenden Wärmetauscher (150) steht, und daß zumindest ein Teil der Wärme, die der Klimaanlage im regenerativen Wärmetauscher (80) entzogen worden ist, in dem die Wärme abführenden Wärmetauscher an die Umgebung abgegeben wird.

4. Klimaanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zweigleitung (185) den Abschnitt (105) für den Arbeitskörper des auf der Niederdruckseite liegenden Wärmetauschers mit der vom Arbeitskörper (20) kommenden Flüssigkeit verbindet, so daß ein Teil des Flüssigkeitsstromes durch das geschlossene System zwischen dem Arbeitskörper und dem Abschnitt (105) für den Arbeitskörper des auf der Niederdruckseite liegenden Wärmetauschers in der Zweigleitung (185) umlaufen kann, ohne daß ein Umlauf durch den regenerativen Wärmetauscher (80) erfolgt und ohne daß der verdichteten Luft im regenerativen Wärmetauscher (80) Wärme entzogen wird.

5. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites geschlossenes Umwälzsystem vorgesehen ist, das vom ersten geschlossenen Umwälzsystem unabhängig ist, und daß ein erster Abschnitt des zweiten geschlossenen Umwälzsystems in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit dem Arbeitskörper steht, und daß ein zweiter Abschnitt des zweiten geschlossenen Umwälzsystems in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit der gekühlten Luft in einem Abschnitt (105) für den Arbeitskörper des auf der Niederdruckseite liegenden Wärmetauschers steht, und daß die im zweiten geschlossen Umwälzsystem umlaufende Flüssigkeit den Arbeitskörper kühlt, indem dem Arbeitskörper Wärme entzogen wird und die dem Arbeitskörper entzogene Wärme an die gekühlte Luft im Abschnitt (105) für den Arbeitskörper des auf der Niederdruckseite liegenden Wärmetauschers abgegeben wird.

6. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 2 oder 5, gekennzeichnet durch folgende Beziehung:

^WLuft * ^C ρ Luft ^₁₀

regen. Kühlmittel " ρ regen. Kühlmittel

Hierin bedeuten

w_T _, die Durchsatzmenge der Luft, welche durch den Luft-Kreislauf der Klimaanlage hindurchfließt; c _ _. die spezifische Wärme der Luft, welche durch den Luftkreislauf der Klimaanlage fließt;

^wregen. Kühlmittel ^die Durchsatzmenge der Flüssigkeit, welche durch den regenerativen Wärmetauscher hindurchfließt; und

^cp regen. Kühlmittel ^die spezifische Wärme der Flüsigkeit, welche durch den regenerativen Wärmetauscher hindurchfließt.

7. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 2 oder 5, gekennzeichnet durch folgende Beziehung:

^wArbeitskörper Kühlmittel ^Cp Arbeitskörper Kühlmittel ^„ ^wregen. Kühlmittel ^c ρ regen. Kühlmittel

Hierin bedeuten

^wArbeitskörper Kühlmittel ^die Durchsatzmenge der Flüssigkeit, welche durch den Arbeitskörper hindurchfließt;

^cp Arbeitskörper Kühlmittel ^die spezifische Wärme der Flüsigkeit, welche durch den Arbeitskörper fließt;

^wregen. Kühlmittel ^die Durchsatzmenge der Flüsigkeit, welche durch den regenerativen Wärmetauscher hindurchfließt; und

^cpregen. Kühlmittel ^die spezifische Wärme der Flüssigkeit welche durch den regenerativen Wärmetauscher hindurchfließt.