DE3444057A1

DE3444057A1 - Klimaanlage mit luftumwaelzung

Info

Publication number: DE3444057A1
Application number: DE19843444057
Authority: DE
Inventors: George C. Canton Conn. Rannenberg
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1983-12-09
Filing date: 1984-12-03
Publication date: 1985-07-11
Also published as: GB2153511B; IL73714A0; IT8423964A0; US4535606A; SE8406173D0; DK585084A; DK162799B; GB8430567D0; IL73714A; FR2556451B1; SE458392B; ES8507252A1; GB2153511A; SE8406173L; DK585084D0; JPS60138368A; NO844875L; DK162799C; NO163035C; IT8423964A1

Description

KLIMAANLAGE MIT LUFTUMWÄLZUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine Klimaanlage mit Luftumwälzung und betrifft insbesondere eine von einer Gasturbinenanlage angetriebene und mit Luftumwälzung arbeitende Klimaanlage mit verbessertem Wirkungsgrad.

Klimaanlagen mit Luftumwälzung sind allgemein bekannt und werden gewöhnlich zum Kühlen und Unterdrucksetzen von.Räumen, wie Passagierkabinen in Zivil- und Militärflugzeugen verwendet. Ein Grund für die Beliebtheit derartiger Anlagen ist das beachtliche Kühlangebot, das von Klimaanlagen mit Luftumwälzung bei einer verhält nismäßig bescheidenen Größe zur Verfügung 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 weiter verdichtete Druckluft einem Wärmetauscher zuführt, in welchem die Luft einen Teil ihrer Verdichtungswärme abgibt. Von diesem Wärmetauscher wird die Druckluft einer Expansionsturbine zugeführt, in welcher die Luft Arbeit leistet 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 Arbeitskörper, wie beispielsweise an die Kabine eines Flugzeugs abgegeben. Die Turbine ist über eine Treibriemen-Anordnung mit dem Verdichter verbunden, so daß die von der 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.

Während die vorstehend beschriebenen Klimaanlagen mit einem offenen Luftkreislauf eine wirksame Kühlung und Druckregelung aufweisen, wenn die Klimaanlagen von einer Gasturbinenanlage beschickt und angetrieben werden, verlangen die rasch ansteigenden Kosten und die abnehmende Verfügbarkeit des Brennstoffes für Gasturbinenanlagen, da 15 ständig eine Steigerung des Wirkungsgrades der Klimaanlagen angestrebt wird. Eine Steigerung des Wirkungsgrades ist nicht nur erforderlich, um die von der Gasturbinenanlage abgegebene Energie und damit den Brennstoffverbrauch für den Betrieb der Klimaanlage auf ein Minimum herabzusetzen, sondern auch die Baugröße der Klimaanlage möglichst klein zu halten. Das Streben nach einer verbesserten, gedrängten Bauweise der Klimaanlage ist wie das Streben nach einem verbesserten Wirkungsgrad wichtig bei der Verringerung der Brennstoffkosten, die mit dem Betrieb der Klimaanlage verbunden sind. Das Streben nach den oben angegebenen Zielen ist eben^so wichtig, um die Klimaanlage in einer räumlich begrenzten Umgebung einsetzen zu können, die bei vielen mit einer Gasturbinenanlage angetriebenen Fahrzeugen vorliegt, die beispielsweise Fernlenkgeschoße, Militärflugzeuge, Panzer und andere Land- und Luftfahrzeuge sein können.

Es ist deshalb hauptsächlich Ziel und Zweck der Erfindung, eine von einer Gasturbinenanlage angetriebene und mit Luftumwälzung arbeitende Klimaanlage zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad hat.

Es ist weiterhin Ziel und Zweck der Erfindung, eine mit Luftumwälzung arbeitende Klimaanlage zu schaffen, deren gedrängte

Bauweise verbessert ist.

Die oben angegebenen Ziele, die aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen und Zeichnungen näher hervorgehen, werden durch die erfindungsgemäße Klimaanlage mit Luftumwälzung erreicht. Bei der erfindungsgemäßen Klimaanlage wird im wesentlichen der gesamte, dem Arbeitskörper zugeführte, ge-^ kühlte Luftstrom nach dem Kühlen des Arbeitskörpers zum Einlaß des Hauptverdichters der Klimaanlage zurückgeführt, wobei der Verdichter, die mit dem Verdichter verbundene Turbine und der Arbeitskörper ein unter hohem Druck stehendes, einen geschlossenen Kreislauf aufweisendes Umwälzsystem bilden, das mit Kühlluft gespeist wird, die von einer Gasturbinenanlage zugeführt und in den geschlossenen Kühlkreislauf zwischen dem Arbeitskörper und dem Einlaß des Hauptverdichters eingeführt wird. Ein derartiger geschlossener Kreislauf macht es möglich, daß die Füllung der Kühlluft im System zyklisch wiederverwendet wird, wobei die das Kühlsystem antreibende Gasturbinenanlage dem Arbeitskörper nicht ständig frische Kühlluft zuführen muß, wie dies bei bekannten, von Gasturbinenanlagen angetriebenen Klimaanlagen mit Luftumwälzung der Fall ist. Dies erhöht natürlich den Wirkung: grad der Klimaanlage, indem die Last verringert wird, welche die Klimaanlage an die Energiequelle der Gasturbinenanlage anlegt. Die Ruckführung der gesamten Kühlluft vom Arbeitskörper zum Hauptverdichter anstelle der Abgabe der Kühlluft an die Umgebung "besiegelt" im wesentlichen den geschlossenen Kreislauf, so daß die erfindungsgemäße Klimaanlage bei höheren Kühlluftdrücken als die bekannten Klimaanlagen mit einem offenen Kreislauf arbeiten kann. Das Arbeiten bei höheren Drücken führt zu einer weiteren Steigerung des Wirkungsgrades der Klimaanlage, indem die störenden Verluste verringert werden, die mit der Vorrichtung zur Handhabung des Strömungsmediums der Klimaanlage verbunden sind. Die höheren Arbeitsdrücke der Klimaanlage sind auch für die höher Dichte der Kühlluft verantwortlich, die zur Folge hat, daß ein kleiners Luftvolumen zum Kühlen ausreicht und deshalb eine

Vorrichtung mit einer gedrängteren Bauweise möglich ist. Die Verbindung zwischen dem Arbeitskörper und dem Einlaß des Hauptverdichters macht auch einen regenerativen Wärmetausch zwischen der vom Arbeitskörper kommenden Luft und der zum Einlaß der Turbine fließenden Luft möglich, wodurch der Wirkungsgrad der Klimaanlage weiter gesteigert wird, indem der Vorteil der Kühlfähigkeit der Klimaanlage besser ausgenutzt wird.

Die Klimaanlage gemäß de¹" Erfindung weist auch eine Einrichtung, wie beispielsweise einen Thermostat auf, welcher den Kühlbedarf des Arbeitskörpers abtastet und ein dem Kühlbedarf entsprechendes Ausgangssignal an eine Steuereinrichtung, wie beispielsweise ein Ventil abgibt, welches den Luftstrom durch die Klimaanlage in Abhängigkeit vom Ausgangssignal steuert, wodurch die Leistung der Klimaanlage und damit die der Klimaanlage zugeführte Energie durch den Kühlbedarf des Arbeitskörpers begrenzt . wird. Das Ventil zur Steuerung der Leistung der Klimaanlage kann in einer Leitung angeordnet sein, durch welche die eingespeiste Kühlluft der Klimaanlage vom Austrittsende des Verdichters der Gasturbinenanlage zugeführt wird. Das Ventil zur Steuerung der Leistung der Klimaanlage kann auch in einer Leitung angeordnet sein, welche an der Turbine der Klimaanlage vorbeiführt, wodurch die Menge der durch die Turbine geführten Luft geregelt wird. Eine weitere Regelung zur Verringerung der Kühlleistung der Klimaanlage läßt sich mit einem Steuerventil erreichen, das in einer Ablaßleitung angeordnet ist, die vom Austrittsende des Hauptverdichters aus dem System über Bord führt, um die Füllung der im geschlossenen Kreislauf umlaufenden Luft weiter zu verringern · Das Steuerventil in der Ablaßleitung wird in der gleichen Weise wie das vorstehend genannte Steuerventil in der zur Klimaanlage führenden Speiseleitung in Abhängigkeit vom Kühlbedarf des Arbeitskörpers angesteuert.

Wenn erhöhte Arbeitsdrücke in der Klimaanlage angestrebt werden, kann dem Hauptverdichter der Klimaanlage Luft aus der Gasturbinen-

anlage mit Hilfe eines Hilfsverdichters zugeführt werden, welcher c Luftdruck am Austrittsende des Verdichters der Gasturbinenanlage erhöht. Der Hilfsverdichter wird entweder vom Rotor der Gasturbinenanlage oder von einer Antriebsturbine angetrieben, die ihrerseits von der Luft angetrieben wird, die vom Austrittsende des Verdichters der Gasturbinenanlage abgeleitet wird. Der Hauptverdichter und der Hilfsverdichter können direkt vom Rotor der Gasturbinenanlage, indirekt mit Hilfe einer vom Rotor der Gasturbinenanlage angetriebenen hydraulischen oder elektrischen Übertragungseinrichtung oder mit Hilfe einer Antriebsturbine angetrieben werden, die ihrerseits von der Luft angetrieben wird, die vom Verdichter der Gasturbinenenanlage austritt. Die Ausgangsleistung der Antriebsturbine wird dadurch gesteuert, daß die vom Verdichter der Gasturbinenanlage zur Antriebsturbine fließende Luft entweder mit einem Steuerventil oder mit Hilfe eines geometrisch veränderbaren Einlasses der Antriebsturbine geregelt wird, wobei das Steuerventil oder der Einlaß der Antriebsturbine in Abhängigkeit vom Kühlbedarf des Arbeitskörpers eingestellt werden.

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 Abwandlung£ form einer Klimaanlage mit Luftumwälzung gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Abwandlungsform der Kliamaanlage gemäß der Erfindung,

Fi.g 4 eine schematische Darstellung einer dritten Abwand-

lungsform einer Klimaanlage gemäß der Erfindung, und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer vierten Abwandlungsform der Klimaanlage gemäß der Erfindung.

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 und je nach Bedarf für eine Druckregelung eines Verbrauchers oder Arbeitskörpers 2o. 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 Gasturbinenanlagen allgemein bekanntist, 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 Ao 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 aus dem Austrittsende 37 des Verdichters der Gasturbinenanlage 15 austretende Luft speist die Klima- oder Kühlanlage Io über eine Leitung 5o, die ein Rückschlagventil 55 und ein Steuerventil 6o aufweist. Die der Kühlanlage zugeführte Luft hat in der Regel einen Druck im Bereich von 2,069 bis 6,897 bar. Die eingespeiste Luft wird von der Leitung 5o über eine Leitung 65 einem Hilfsverdichter 7o zugeführt, welcher die in einem geschlossenen Kreislauf geführte Kühlluft vorverdichtet. Der Hilfsverdichter gibt die vorverdichtete Luft über eine Leitung 80 an einen Haupt- oder Kälteverdichter 75 ab. Der Hauptverdichter 75 verdichtet die Kühlluft weiter und gibt sie über

eine Leitung 9o an einen die Wärme abführenden Wärmetauscher ab. Das gesamte Druckverhältnis von Hilfsverdichter 7o und Hauptverdichter 75 liegt in der Größenordnung von 3:1, wenn sich die Klimaanlage bei einem Betriebspunkt mit der maximalen Kühlleistung befindet. Die Leitung 90 steht stromab des Hauptverdichters mit einer Leitung 95 in Verbindung. Die Leitung 95 weist ein Steuerventil 100 auf, um die eingespeiste Druckluft in Abhängigkeit vom verringerten Kühlbedarf des Verbrauchers oder Arbeitskörpers wahlweise über Bord abzulassen. Der verringerte Kühlbedarf verlangt einen verringerten Druck der in einem geschlossenen Kreislauf geführten Kaltluft in einer Weise, die später näher erläutert wird. Die verdichtete Kaltluft wird in dem die Wärme abführenden Wärmetauscher 85 gekühlt, indem die verdichtete Luft in einer Wärmetauschbeziehung mit einem geeigneten Wärmeableiter, wie beispielsweise mit kühlerer Umgebungsluft gehalten wird. Die verdichtete Luft wird von dem die Wärme abführenden Wärmetauscher über eine Leitung Io5 einem regenerativen Wärmetauscher bezw. einem Speicherwärmetauscher Ho zugeführt und dann über eine Leitung 115 an eine kühlende Expansionsturbine 12o abgegeben. Der Rotor der Turbine 120 ist mit dem Rotor des Hauptverdichters 75 über eine Welle 125 verbunden. Die verdichtete Luft treibt beim Durchtritt durch die Turbine 120 den Turbinenrotor und damit den Rotor des Hauptverdichters 75 an, wodurch am Rotor des Hauptverdichters Arbeit geleitstet und eine Expansion der Luft in der Turbine erreicht wird, wobei die Luft etwa um 30° C 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 über eine Leitung 130 einem Wärmetauscher 135 für einen Verbraucher oder Arbeitskörper zugeführt. Der Wärmetauscher 135 bildet einen Teil des Verbrauchers oder Arbeitskörpers 20. Die aus der Expansionsturbine 120 austretende Luft kühlt im Wärmetauscher für den Arbeitskörper ein flüssiges Wärmetauschmittel, wie beispielsweise.Äthylenglykol, das in einem geschlossenen Kreislauf 140 zwischen dem Wärmetauscher für den Arbeitskörper und dem zu kühlenden Arbeits-

körper 145 umgewälzt wird. Der zu kühlende Arbeitskörper kann beispielsweise eine Kabine mit einer elektrischen Ausrüstung für ein Flugzeug oder ein Landfahrzeug oder irgendein anderer Raum sein, der mit Hilfe der gekühlten Flüssigkeit im Kreislauf 140 gekühlt werden soll. Eine Pumpe 150 wälzt die Flüssigkeit im Kreislauf 140 zwischen dem Wärmetauscher 135 für den Arbeitskörper und der Kabine 145 um. Um die restliche Kühlleistung der Luft voll ausnutzen zu können, wird die aus dem Wärmetauscher 135 für den Arbeitskörper austretende Luft über den Speicherwärmetauscher 110 geführt, wo die Luft in einer Wärmetauschbeziehung mit der Luft gehalten wird, die dem Einlaß der Expansionsturbine 120 über die Leitungen 105 und 115 zugeführt wird, um die Einlaßluft der Turbine vorzukühlen. Der Speicherwärmetauscher 110 gibt die vom Wärmetauscher 135 kommende Luft an die Leitung 65 ab, durch welche die Luft zum Hilfsverdichter 70 zurückgeführt wird, so daß die Luft erneut in der Klimaanlage 10 umgewälzt wird.

Die Steuerventile 60 und 100 werden in Abhängigkeit von Fühlern (Thermostate) 160 und 165 betätigt, die im Raum 145 angeordnet sind. Diese Thermostate geben Signale ab, welche der tatsächlichen und gewünschten Temperatur im Raum 145 entsprechen. Die Signale der Thermostate werden über Leitungen 180 bzw. 185 an Steuer- / Betätigungseinrichtungen 170 und 175 weitergegeben. Die Steuer-/Betätigungseinrichtungen 170 und 175 sind mit den Ventilen 60 und 100 über irgendwelche geeignete Verbindungseinrichtungen, wie Gestänge oder dergleichen mechanisch verbunden, die durch die Linien 190 und 195 angedeutet sind.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht die Arbeitsweise der Klima- bzw. Kälteanlage 10 klar hervor. Der Hilfsverdichter 70 sorgt für eine Vorverdichtung der Luft, die vom Austrittsende 37 des Verdichters der Gasturbinenanlage 15 kommt, bevor die Luft dem Hauptverdichter 75 der Klimaanlage zugeführt wird. DerHauptverdichter 75 verdichtet die Luft weiter und gibt die

Luft an den die Wärme abführenden Wärmetauscher 85 ab, in welchem die verdichtete Luft Wärme an die Umgebung oder an irgendeinen anderen Wärmeableiter abgibt. Die verdichtete Luft wird im Speicherwärmetauscher 110 weiter abgekühlt, indem die Wärme an die vom Wärmetauscher 135 für den Arbeitskörper kommende Luft abgegeben wird, bevor die verdichtete Luft der Expansionsturbine 120 zugeführt wird, in welcher die Luft entspannt und für die Zufuhr zum Wärmetauscher 135 fUr den Arbeltskörper gekühlt wird. Das flüssige Kühlmittel, das im geschlossenen Kreislauf bzw. in der Ringleitung 140 umläuft, wird im Wärmetauscher 135 gekühlt und dem Raum 145 zu dessen Kühlung zugeführt. Die vom Wärmetauscher 135 für den Raum 145 abgegebene Luft wird dem Speicherwärmetauscher zum Vorkühlen der zum Einlaß der Turbine fließenden Luft zugeführt, wie dies im vorstehenden beschrieben worden ist. Die Luft wird dann dem Hilfsverdichter 70 zugeführt, wo sie für den nächsten Umlauf wieder vorverdichtet wird.

Die Leistung der Klima- oder Kälteanlage Io wird gesteuert. Die der Anlage zugeführte Energie wird· durch die Ventile 60 und begrenzt, welche den Druck der Kaltluft im geschlossenen Kreislauf bestimmen. Bei stabilen Betriebszuständen, d.h., wenn die von der Anlage Io abgegebene Kühlleistung gleich der vom Raum 145 geforderten Kühlleistung ist, und unterstellt wird, daß keine Luft aus der Anlage entweicht, werden die beiden Ventile 6o und loo von den Steuer-/ Betätigungseinrichtungen 170 und in geschlossenem Zustand gehalten, wodurch die verschiedenen Drücke und Durchflußmengen in der Anlage ebenso konstant bleiben, wie die abgegebene Kühlleistung. Für den Fall, daß der Raum 145 einen geringeren Kühlbedarf hat, öffnet die Steuer-/Betätigungseinrichtung 175 das Steuerventil 100, um Kaltluft über Bord abfließen zu lassen, wodurch der Druck der Kaltluft in der Kälteanlage 10 herabgesetzt und damit die vom Hilfsverdichter 70 aufgenommene Wellenenergie und die vom Hauptverdichter 75 aufgenommene kinetische Energie verringert wird, welche auf die Luft zurückgeht, die vom Verdichter der Gas-

turbinenanlage abgegeben wird. Hierdurch wird natürlich die Energie herabgesetzt, die von der Gasturbinenanlage 15 für den Betrieb der Kälteanlage IO abgegeben wird. Sollte der Kältebedarf des Raumes 145 wesentlich abnehmen, öffnet die Steuer-/Betätigungseinrichtung 145 das Steuerventil 100 in Abhängigkeit von einem Ausgngssignal des Fühlers 165 vollständig, während die Steuer-/Betätigungseinrichtung 170 das Steuerventil 60 in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Fühlers 160 vollständig schließt, um den Druck in der Kälteanlage und die der Kälteanlage zugeführte Energie maximal herabzusetzen. Wenn der Kältebedarf des Raumes 145 zunimmt, schließt die Steuer-/Betätigungseinrichtung 175 das Steuerventil 100 in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Fühlers 165, während die Steuer-/Betätigungseinrichtung 170 das Steuerventil 60 in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Fühlers 160 öffnet, wodurch" der Druck der Kaltluft in der Kälteanlage 10 ansteigt, um das Leistungsvermögen und damit die Ausgangsleistung der Klimaanlage zu erhöhen.

Es ist ersichtlich, daß die von der Gasturbinenanlage betriebene, erfindungsgemäße Klimaanlage mit ihrer Steuerung der Luftumwälzung in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen für eine wirksame Kühlung eines Arbeitskörpers oder Verbrauchers mit verbessertem Wirkungsgrad sorgt. Da die Klimaanlage eine in einem geschlossenen Kreislauf arbeitende Anlage ist, muß die Gasturbinenanlage bei stabilen Betriebsbedingungen nur die Energie aufbringen, die erforderlich ist, um die nötige Kälte von einer konstanten Menge an Kaltluft zu erzielen. Es ist daher nicht erforderlich, ständig Kaltluft zuzuführen, wie dies bei offenen Anlagen der Fall ist, bei welchen die Kaltluft nach dem Kühlen des Arbeitskörpers bzw. des Verbrauchers über Bord abgeblasen wird. Der geschlossene Aufbau der'erfindungsgemäßen Anlage macht es weiterhin möglich, die Anlage bei wesentlich höheren Drücken zu betrieben, als dies bei Anlagen mit einem offenen Kreislauf der Fall ist. Wenn das Steuerventil für die Speiseluft vollständig geöffnet ist, ist der niedrigste Druck in der

etwas anders gesteuert wird. Bei der Ausführungsform nach Fig. werden die Leistungsfähigkeit und damit die zugeführte Energie und die Kälteabgabe dadurch gesteuert, daß die Zufuhr der vom Verdichter der Gasturbinenanlage kommenden Luft zur Kälteanlage und die Abfuhr der vom Hauptverdichter abgegebenen Luft aus der Anlage geregelt werden. Bei der Ausführungsform nach Fig. -2 werden die Leistungsfähigkeit und damit die der Anlage zugeführte Energie sowie die von der Anlage abgegebene Energie dadurch geregelt, daß die Menge der verdichteten Luft geändert wird, die an der Expansionsturbine 120 vorbeigeführt wird. Ein Teil der vom Hauptverdichter abgegebenen Luft wird über eine Leitung an der Expansionsturbine 120 vorbeigeführt. Die Leitung 210 verbindet die Leitungen 115 und 130 und weist ein Steuerventil 215 auf. Das Steuerventil 215 wird von einer Steuer-/Betätigungseinrichtung 220 in Abhängigkeit vom Ausgangssignal eines Thermostaten 225 betätigt, der im Raum 145 untergebracht ist. Wenn das Steuerventil 215 von der Steuer-/Betätigungseinrichtung 220 in Abhängigkeit von einem Signal geöffnet wird, das einem veringertem Kühlbedarf entspricht, nimmt der Luftstrom durch die Expansion turbine 120 ab_;wodurch das Kühlangebot verringert wird, das am Wärmetauscher 135 für den Arbeitskörper und am Speicherwärmetauscher 110 zur Verfügung steht. Wenn dagegen das Steuerventil 215 geschlossen wird, nimmt die Menge der durch die Expansionsturbine 120 hindurchfließenden Kaltluft zu, wodurch das Kühlangebot erhöht wird, das an den beiden Wärmetauschern 135 und 110 zur Verfugung steht. Eine Änderung des Druckes in der Kälteanlage und damit eine Änderung der der Klimaanlage zugeführten Energie wird bei der zweiten Ausführungsform wie bei der ersten Ausführungsform mit Hilfe des Steuerventils 60 erreicht, welches die Einspeisung der vom Verdichter der Gasturbinenanlage abgegebenen Luft in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Thermostaten 160 steuert. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist die in Fig. 1 vorgesehene Wellenverbindung zwischen Gasturbinenanlage und Hilfsverdichter 70 durch eine Antriebsturbine 226 ersetzt, welche über eine Welle 227 mit dem Hilfsverdichter verbunden ist

Anlage so hoch wie der Druck am Austrittsende des Verdichters der Gasturbinenanlage. Der höchste Druck im geschlossenen Kreislauf der Anlage, das heißt der Druck am Einlaß der Expansionsturbine 120 ist um ein Druckverhältnis 3:1 höher. Derartige höhere Drücke im geschlossenen Kreislauf führen zu einer höheren Luftdichte und machen daher eine Kühlung mit geringeren, volumetrischen Durchflußmengen der Kühlluft und damit eine gedrängtere Bauform möglich, als dies bei Anlagen mit einem offenen Kreislauf der Fall ist, die bei niedrigeren Drücken arbeiten. Der Betrieb bei höheren Drücken verringert darüberhinaus die Druckverluste des Luftstromes pro Gewichtseinheit des Luftstromes, wodurch der Wirkungsgrad der Kälteanlage weiter gesteigert wird. Der regenerative Wärmetausch zwischen der vom Wärmetauscher für den Arbeitskörper kommenden Luft und der dem Einlaß der Expansionsturbine zugeführten Luft steigert weiterhin den Wirkungsgrad der Anlage, insbesondere wenn der Temperaturunterschied zwischen der in den Wärmetauscher 135 eintretenden Luft und der aus dem Wärmetauscher 135 für den Arbeitskörper austretenden Luft im wesentlichen geringer ist, als der Temperaturunterschied zwischen dem Raum 145 und dem der Umgebung ausgesetzten Wärmeableiter, an den die Wärme der vom Hauptverdichter kommenden Luft im Wärmetauscher 85 abgegeben wird. Unter diesen Bedingungen verliert die Kaltluft nur einen Teil ihrer Kälteleistung, wenn sie durch den Wärmetauscher 135 für den Arbeitskörper hindurchtritt. Der Durchtritt durch den Speicherwärmetauscher 110 macht es möglich , daß der Rest der Kühlleistung der aus dem Wärmetauscher 135 austretenden Luft verwendet wird, um die zur Expansionsturbine 120 geführte Luft vorzukühlen.

In den restlichen Zeichnungen sind weitere Ausführungsformen der von einer Gasturbinenanlage angetriebenen Klimaanlage mit Luftumwälzung gezeigt, wobei gleiche Bezugszeichen gleichen Teilen zugeordnet sind. Die in Fig. 2 gezeigte Klimaanlage arbeitet genau in der gleichen Weise wie die in Fig. 1 gezeigte Klimaanlage mit der Ausnahme, daß die Leistungsfähigkeit der Anlage

und von der aus dem Austrittsende 37 des Verdichters der Gasturbinenanlage austretenden Luft angetrieben wird. Diese Luft wird über eine Leitung 228 zugeführt und aus der Antriebsturbine über eine Auslaßdüse 229 aus der Anlage ausgeblasen.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform wird auf ein Abblasen der vom Hauptverdichter 75 abgegebenen Luft zur Steuerung der Leistungsfähigkeit der Anlage verzichtet. Es wird angenommen, daß die Kaltluft aufgrund normaler Undichtigkeiten aus der Klimaanlage entweicht und deshalb die Leistungsfähigkeit der Klimaanlage dadurch gesteuert werden kann, daß nur die Menge der eingespeisten Luft durch das Steuerventil 60 geändert wird. Eine Verringerung der Kühlleistung wird daher durch das Schließen des Steuerventils 60 erreicht, wobei die aufgrund normaler Undichtigkeiten aus der Klimaanlage entwichene Kaltluft durch die vom Verdichter der Gasturbinenanlage abgegebene Luft nicht ausgeglichen wird. Eine Zunahme der Leistungsfähigkeit wird durch ein Öffnen des Steuerventils 60 erreicht, wodurch der Druck in der Kälteanlage ansteigt. Ferner fehlt bei dieser Ausführungsform der Hilfsverdichter. Der Hauptverdichter 75 wird teilweise von der Expansionsturbine 120 wie in Fig. 1 und teilweise durch eine über den Turbinenrotor hergestellte Verbindung zur Gasturbinenanlage mit Hilfe einer Welle 230 und eines Getriebes 235 angetrieben.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform wird der Hauptverdichter 75 von einer Antriebsturbine 240 angetrieben, die über eine Welle 245 mit dem Hauptverdichter 75 verbunden ist. Die Antriebsturbine 240 wird mit Luft angetrieben, die vom Austrittsende 37 des Verdichters der Gasturbinenanlage über eine Leitung 247 zugeführt wird. Das Steuerventil 60 steuert gleichzeitig die Menge der in die Klimaanlage eingespeisten Luft und den Antrieb der Turbine 240, wodurch gleichzeitig die Leistungsfähigkeit der Klimaanlage und die zugeführte Energie gesteuert werden. Die Luft, welche die Turbine 240 antreibt, wird über eine Aus-

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trittsdüse 250 aus der Anlage über Bord ausgeblasen.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 5 weist wie die Ausführungsform gemäß Fig. 4 eine Antriebsturbine auf, um.den Hauptverdichter 75 anzutreiben. Die Leistungsfähigkeit der Klimaanlage gemäß Fig. 5 und die der Klimaanlage zugeführte Energie werden jedoch durch verstellbare DUsenblätter 260 im Einlaß der Turbine gesteuert. Die Düsenblätter 260 werden von einer Betätigungseinrichtung 265 betätigt, welche den wirksamen Einlaßquerschnitt in Abhängigkeit von einem Regler 270 einstellt. Der Regler 270 spricht auf ein Ausgangssignal eines Thermostaten 275 im Arbeitskörper 20 an. Eine Änderung der dem Hauptverdichter 75 zugeführten Luftmenge mit Hilfe eines Steuerventils ist nicht erforderlich. Wenn bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 der Kühlbedarf steigt, wird der Lufteinlaß 260 der Turbine geöffnet, wodurch die der Turbine zugeführte Energie und damit die dem Hauptverdichter 75 zugeführte Energie zunimmt. Eine derartige Zunahme der an die Turbine angelegten Eingangsenergie hat eine zweifache Wirkung. Einerseits steigt das wirksame Druckverhältnis über den Hauptverdichter 75, wodurch der Druck der vom Hauptverdichter abgegebenen Luft zunimmt. Andererseits steigt der Durchsatz der Luft vom Austrittsende 37 der Gasturbinenanlage 15. Eine Verringerung des Kältebedarfs des Arbeitskörpers bzw. des Verbrauchers führt zu einer derartigen Verstellung der Düsenblätter im Turbineneinlaß, daß die der Turbine zugeführte Energie und damit die dem Hauptverdichter 75 zugeführte Energie herabgesetzt werden, wobei das Druckverhältnis über den Hauptverdichter 75 abgesenkt und der Luftdurchsatz verringert wird.

Obgleich die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen gemäß der Erfindung unterschiedliche Einrichtungen zur Steuerung der zugeführten Energie und der Leistungsfähigkeit der Klimaanlage Io aufweisen, zeigen alle Ausführungsformen gemeinsame Eigenschaften. Alle Ausführungsformen besitzen eine Kälteanlage, die einen geschlossenen Kreislauf mit Luftumwälzung auf-

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weist und bei hohem Druck arbeitet. Bei allen AusfUhrungsformen wird die Kälteanlage von einer Gasturbinenanlage gespeist und angetrieben, wobei sämtliche Ausführungsformen eine Steuereinrichtung aufweisen, die auf den Kältebedarf anspricht, um die Leistungsfähigkeit der Klimaanlage an den Kältebedarf anzupassen, um ein Optimum an Wirkungsgrad und gedrängter Bauweise zu erreichen. Obgleich verschiedene AusfUhrungsbeispiele gezeigt worden sind, sei festgestellt, daß verschiedene Abweichungen von der vorstehenden Offenbarung für einen Durchschnittsfachmann auf der Hand liegen und diese Abweichungen in Verbindung mit den Ansprüchen unter den Geist und Umfang der Erfindung fallen.

Claims

Patentansprüche <

1.iKlimaanlage mit Luftumwälzung, insbesondere Kälteanlage zum Kühlen eines Arbeitskörpers mit Hilfe von Kaltluft, wobei die Kälteanlage für die Zufuhr von verdichteter Speiseluft aus dem Austrittsende eines Verdichters einor Gasturbinenanlage ausgelegt ist und einen Kälteverdichter zur Erhöhung des Druckes der Kaltluft aufweist, und wobei der aus dem Kälteverdichter austretende Luftstrom einer Expansionsturbine zugeführt wird, um hierdurch die Luft abzukühlen und nach dem Austritt aus der Turbine einem Arbeitskörper zuzuführen,' wobei die Expansionsturbine und der Kälteverdichter mechanisch miteinander verbunden sind, wobei die Expansionsturbine ein Maß für die Eingangsleistung zum Antreiben des Kälteverdichters ist, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung, welche im vjesentliehen den gesamten Luft-

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strom vom Arbeitskörper (20) zum Einlaß des Kälteverdichters (75) führt, wobei der Kälteverdichter (75), die Expansionsturbine (12o) und der Arbeitskörper (20) ein geschlossenes Umwälzsystem bilden;

eine erste Leitung (50), welche das Austrittsende (37) des Verdichters der Gasturbinenanlage (15) mit dem geschlossenen Umwälzsystem zwischen dem Auslaß der Expansionsturbine (120) und dem Einlaß des Kälteverdichters (75) verbindet, um die Speiseluft der Kälteanlage zuzuführen, wobei der Luftdruck der Anlage mindestens im wesentlichen auf dem gleichen Wert wie der Druck am Austrittsende des Verdichters der Gasturbinenanlage (15) gehalten wird: eine Einrichtung, welche den Kältebedarf des Arbeitskörpers (20) abtastet und ein entsprechendes Ausgangssignal abgibt; und

eine erste Steuereinrichtung (60), die in der Kälteanlage (10) angeordnet ist und auf das Ausgangssignal der Abtasteinrichtung anspricht, um den Luftstrom durch die Kälteanlage und dadurch die Kälteleistung der Anlage in Abhängigkeit vom Kältebedarf des Arbeitskörpers (20) zu steuern.

2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Steuereinrichtung eine Steuerventil (60) aufweist, das in der ersten Leitung (50) zur Steuerung des Luftstromes zur Kälteanlage (10) angeordnet ist.

3. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Leitung (210) für mindestens einen Teil der vom Kälteverdichter (75) abgegebenen Kaltluft um die Expansionsturbine (120) herumgeführt ist; und die erste Steuereinrichtung ein Steuerventil (215) aufweist, das in der zweiten Leitung (210) zur Steuerung des Luftstromes um die Expansionsturbine (210) herum angeordnet ist.

4. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Leitung (95) an ihrem einen Ende mit dem geschlossenen Umwälzsystem am Austrittsende des Kälteverdichters (75) in Verbindung steht und mit ihrem anderen Ende aus der Anlage herausführt; und die erste Steuereinrichtung ein Steuerventil (100) aufweist, das in der dritten Leitung (95) zur Steuerung des vom Kälteverdichter (75) abgegebenen Luftstromes angeordnet ist, welcher aus der Kälteanlage ausgeblasen wird.

5. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das geschlossene Umwälzsystem einen wärmeabführenden Wärmetauscher (85) zwischen dem Austrittsende des Kälteverdichters (75) und dem Einlaß der Expansionsturbine (12o) aufweist, und daß der wärmeabführende Wärmetauscher die vom Kälteverdichter (75) abgegebene Luft in einer Wärmeaustauschbeziehung mit einem Wärmeableiter hält, um die vom Kälteverdichter abgegebene Luft vorzukühlen, be-

vor die Luft in die Expansionsturbine (120) eintritt.

6. Klimaanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeableiter ein Strömungsmedium aufweist, das normalerweise eine Temperatur hat, die nied^riger als die Temperatur der vom Kälteverdichter (75) kommenden Luft ist.

7. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das geschlossene Umwälzsystem einen Speicherwärmetauscher (110) aufweist, der mit dem Austrittsende des Kälteverdichters (75) sowie mit dem Ein- und Auslaß der Expansionsturbine (120) verbunden ist, und daß der Speicherwärmetauscher (110) die vom Kälteverdichter (75) kommende Luft in einer Wärmeaustauschbeziehung mit der aus der Expansionsturbine (120) kommenden Luft hält, um die vom Kälteverdichter kommende Luft vorzukühlen, bevor die Luft der Expansionsturbine (120) zugeführt wird.

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8. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeicnnet,

daß der Arbeitskörper (20) eine zu kühlende Einrichtung sowie einen Wärmetauscher (135) aufweist, der in einer Strömungsmittel-Verbindung mit der von der Expansionsturbine (120) kommenden Luft steht, und daß der Arbeitskörper (20) einen geschlossenen Flüssigkeitskreislauf zwischen der zu kühlenden Einrichtung und dem Wärmetauscher (135) besitzt, um hierdurch Wärme von der zu kühlenden Einrichtung abzuführen und diese Wärme im Wärmetauscher (135) an die von der Expansionsturbine (120) kommende Luft zu übertragen.

9. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hilfsverdichter (70) vorgesehen ist, welcher von der Gasturbinenanlage (15) angetrieben und mit Luft aus dem Austrittsende (37) des Verdichters der Gasturbinenanlage über die erste Leitung (50) gespeist wird, und daß die aus dem Hilfsverdichter (70) austretende Luft dem Einlaß des Kälteverdichters (75) zugeführt wird, um die dem Kälteverdichter (75) zugeführte Luft mit Hilfe der Gasturbinenanlage vorzuverdichten.

10. Klimaanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor der Gasturbinenanlage (15) mechanisch mit dem Rotor¹des Hilfsverdichters (70) für dessen Antrieb verbunden ist.

11. Klimaanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Antriebsturbine (226) in Strömungsmittel-Verbindung mit dem Austrittsende (37) des Verdichters der Gasturbinenanlage (15) steht und von der hierdurch zugeführten Luft angetrieben wird,und daß der Rotor der Antriebsturbine (226) mechanisch mit dem Rotor des Hilfsverdichters (70) für dessen Antrieb verbunden ist.

12. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor der Gasturbinenanlage (15) mechanisch mit dem Rotor des Kälteverdichters (75) für dessen Antrieb verbunden ist.

13. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Antriebsturbine (240) in Strömungsmittel-Verbindung mit dem Austrittsende (37) des Verdichters der Gasturbinenanlage (15) steht und von der hierdurch zugeführten Luft angetrieben wird, und daß der Rotor der Antriebsturbine (240) mechanisch mit dem Rotor des Kälteverdichters (75) für dessen Antrieb verbunden ist.

14. Klimaanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsturbine (240) über die erste Leitung (50) mit dem Austrittsende (37) des Verdichters der Gasturbinenanlage (15) verbunden ist.

15. Klimaanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Steuereinrichtung ein Steuerventil (60) aufweist, das in der ersten Leitung (5o) zur Steuerung der Luftzufuhr zur Kälteanlage (10) und zur Steuerung

des Luftstromes für den Antrieb der Antriebsturbine (240) angeordnet ist.

16. Klimaanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Steuereinrichtung durch einen veränderlichen Einlaßquerschnitt der Antriebsturbine gebildet ist.

17. Verfahren zum Kühlen eines Arbeitskörpers unter Verwendung einer Kälteanlage mit Luftumwälzung, bei welchem Speiseluft vom Austrittsende des Verdichters einer Gasturbinenanlage' dem Einlaß eines Kälteverdichters der | Kälteanlage zugeführt wird, die Speiseluft im Kälteverdich- j ter verdichtet wird, die verdichtete Speiseluft durch Wärme- ; abgabe an einen Wärmeableiter gekühlt wird, die verdichtete Luft in einer Expansionsturbine entspannt und abge-

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kühlt wird, und der Arbeitskörper dadurch gekühlt wird, de die entspannte und gekühlte Luft durch den Arbeitskörper hindurchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseluft der Kälteanlage ohne eine wesentliche Senkung des Druckes zugeführt wird; und

die gekühlte und entspannte Luft vom Arbeitskörper abgezogen und im wesentlichen die gesamte, vom Arbeitskörper abgezogene Luft dem Einlaß des Kälteverdichters zugeführt wird,

wobei die Kälteanlage in einem geschlossenen Kreislauf bei Drücken arbeitet, die im wesentlichen mindestens so ' hoch sind wie der Druck am Austrittsende des Verdichters der Gasturbinenanlage.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß

der Kältebedarf des Arbeitskörpers abgetastet und ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt wird; die Größe des Luftstroms vom Austrittsende des Verdichten der Gasturbinenanlage zum Einlaß des Kälteverdichters in Abhängigkeit vom Ausgangssignal gesteuert wird, wodurch die Leistungsfähigkeit der Kälteanlage in Abhängigkeit vom Kältebedarf des Arbeitskörpers gesteuert wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, de der Kältebedarf des Arbeitskörpers abgetastet und ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt wird; ein Teil der verdichteten Luft an der Turbine der Kälteanlage vorbeigeführt wird;

und die Größe des an der Turbine vorbeigeführten, verdichteten Luftstromes in Abhängigkeit vom Ausgangssignal gesteuert wird, wodurch die Leistungsfähigkeit der Kälteanlage in Abhängigkeit vom Kältebedarf des Arbeitskörpers gesteuert wird.

20. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die verdichtete Luft in eine regenerative Wärmetauschbeziehung mit der gekühlten und entspannten Luft aus der Expansionsturbine gebracht wird, wodurch die verdichtete Luft vorgekühlt wird, bevor sie der Expansionsturbine zugeführt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß

der Kälteverdichter von einer Antriebsturbine angetrie-. ben wird, die ihrerseits von der Luft aus dem Verdichter der Gasturbinenanlage angetrieben wird; der Kältebedarf des Arbeitskörpers abgetastet und ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt wird; und die Größe des Luftstromes vom Austrittsende des Verdichters der Gasturbinenanlage zur Antriebsturbine in Abhängigkeit vom Ausgangssignal gesteuert wird, wodurch der Betrieb des Kälteverdichters und damit die Leistungsfähigkeit der Kälteanlage in Abhängigkeit vom Kältebedarf des Arbeitskörpers gesteuert wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet daß die Luft vom Verdichter der Gasturbinenanlage durch einen Hilfsverdichter vorverdichtet wird, bevor die Luft dem Kälteverdichter zugeführt wird, und daß der Hilfsverdichter von der Gasturbinenanlage angetrieben wird.