DE3533596A1

DE3533596A1 - Device for conditioning air

Info

Publication number: DE3533596A1
Application number: DE19853533596
Authority: DE
Inventors: Edgar Leucht; Ottmar Frieling
Original assignee: GARRETT GmbH
Current assignee: GARRETT GmbH
Priority date: 1985-09-20
Filing date: 1985-09-20
Publication date: 1987-03-26

Abstract

The invention relates to a device for conditioning air in stationary or movable rooms, such as office rooms, passenger compartments of vehicles or aircraft and the like, in which the drawn-in external air is compressed, cooled by heat absorption at the same pressure stage, relieved of pressure, thereby further cooled and thus supplied to the room to be air-conditioned. To meet the requirements of high ambient temperatures, low outlet temperatures and high throughputs in an economical manner, the invention proposes that the drawn-in external air is first cooled in a heat exchanger after compression, is then relieved of pressure in the turbine side of a cooling turbine preferably designed as an exhaust-gas turbocharger, the compressor side of which turbine is loaded, and consequently further cooled and thereafter supplied to the room to be air-conditioned. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Klimatisierung von Luft in stationären oder beweglichen Räumen, wie Büroräumen, Fahrgasträumen von Fahr- oder Flugzeugen od. dgl., bei welcher die angesaugte Außenluft verdichtet, durch Wärmeentzug bei gleicher Druckstufe abgekühlt, entspannt, dadurch weiter abgekühlt und so dem zu klimatisierenden Raum zugeführt wird.The invention relates to a device for air conditioning of air in stationary or moving spaces, such as Offices, passenger rooms of vehicles or planes or the like, in which the sucked-in outside air compresses through heat extraction cooled at the same pressure level, relaxed, thereby cooled further and thus supplied to the room to be air-conditioned becomes.

An Flugzeug-Klimatisierungsgeräte, also solche Klimatisierungsgeräte, welche im Flugzeug mitgeführt werden, werden erhebliche Anforderungen bezüglich hoher Leistungen, hohen Wirkungsgrades, kleiner Abmessungen, kleinen Gewichtes sowie des Einsatzes unter extremen Klimabedingungen gestellt. Entsprechend aufwendig und teuer sind derartige Flugzeug-Klimatisierungssysteme. Von diesen wird beispielsweise die angesaugte Außenluft durch eine bordeigene Gasturbine, bzw. bei laufenden Triebwerken durch eine Triebwerkskompressorstufe, auf ca. 3,5 bar Ü verdichtet und dabei erwärmt. Die erwärmte Druckluft wird auf die Kompressorseite einer Kühlturbine beaufschlagt und hier nochmals verdichtet und erhitzt. Nach Austritt aus der Kühlturbine wird die verdichtete und erhitzte Luft über einen Luft-Luft-Wärmetauscher geführt und ihr zur Abkühlung dadurch bei gleicher Druckstufe Energie entzogen. Die so abgekühlte, verdichtete Luft wird auf der Turbinenseite der Kühlturbine entspannt und dadurch stark abgekühlt. Die so abgekühlte Luft wird der Fahrgastkabine zugeführt. Eine Regelung der Lufteintrittstemperatur erfolgt dadurch, daß der klimatisierten Luft mehr oder weniger heiße Druckluft beigemischt wird. Derartige Flugzeug-Klimatisierungssysteme sind außerordentlich kostspielig, wenn man berücksichtigt, daß u. a. die zu verwendende Kühlturbine, weil es sich um ein Luftfahrtgerät handeln muß, sehr kostenaufwendig ist. Dem Bedürfnis einer Flugzeug-Bodenklimatisierung, also einer vom abgestellten Flugzeug unabhängig Klimatisierung werden derartige Flugzeug-Klimatisierungssysteme daher aus wirtschaftlichen Gründen nicht gerecht. Andererseits besteht ein erhebliches Bedürfnis nach derartigen Bodenklimatisierungs-Systemen, die selbstverständlich dann auch für andere Einsatzzwecke geeignet sind, beispielsweise zur Klimatisierung von Bürogebäuden und dgl., bei welchen erhebliche Luftdurchsätze erforderlich sind. Den Anforderungen, welche an derartige Boden-Klimatisierungssysteme gestellt werden, konnte bisher mit konventionellen Klimatechniken auf wirtschaftliche Weise nicht entsprochen werden. Probleme bestanden insbesondere durch hohe Umgebungstemperaturen, niedrige Austrittstemperaturen und die zu bewältigenden hohen Luftdurchsätze, deren Lösung mit konventionellen Techniken zu einem überdimensionierten Gerät führen würde.On aircraft air conditioning devices, i.e. such air conditioning devices, which are carried on the plane significant requirements regarding high performance, high Efficiency, small dimensions, small weight as well of use under extreme climatic conditions. Corresponding Such aircraft air conditioning systems are complex and expensive. Of these, for example, the one that is sucked in Outside air through an on-board gas turbine, or at running engines through an engine compressor stage, compressed to approx. 3.5 bar g and warmed up. The warmed Compressed air is on the compressor side of a cooling turbine acted upon and here again compressed and heated. To The compacted and heated outlet from the cooling turbine Air passed through an air-air heat exchanger and her to Cooling thereby deprived of energy at the same pressure level. The compressed air cooled in this way is on the turbine side the cooling turbine relaxes and thereby cools down considerably. The so cooled air is supplied to the passenger cabin. A regulation the air inlet temperature takes place in that the air-conditioned air mixed with more or less hot compressed air becomes. Such aircraft air conditioning systems are extremely costly, considering that u. a. the cooling turbine to be used because it is an aircraft must act, is very expensive. The need an aircraft floor air conditioning, so one of the parked Airplane independent air conditioning will be such Aircraft air conditioning systems are therefore economical Reasons not fair. On the other hand, there is considerable The need for such air conditioning systems that then of course also suitable for other purposes are, for example for the air conditioning of office buildings and Like., in which considerable air flow rates are required. The requirements for such floor air conditioning systems could be provided with conventional Air conditioning technology not met economically will. Problems existed in particular due to high ambient temperatures, low outlet temperatures and those to be overcome high air flow rates, their solution with conventional Techniques lead to an oversized device would.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher trotz hoher Umgebungstemperaturen, niedriger Austrittstemperaturen und hoher Luftdurchsätze eine Luftklimatisierung auf konstruktiv einfache und damit wirtschaftliche Weise erreicht werden kann.The object of the present invention is therefore a device to create the type mentioned above, with which despite high ambient temperatures, low outlet temperatures and high air flow rates an air conditioning on constructive simple and therefore economical way can be achieved can.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß die angesaugte Außenluft nach dem Verdichten zunächst in einem Wärmetauscher abgekühlt, anschließend in der Turbinenseite einer Kühlturbine, dessen Kompressorseite belastet ist, entspannt und damit weiter abgekühlt sowie danach dem zu klimatisierenden Raum zugeführt wird. This object is essentially achieved according to the invention solved that the sucked in outside air after compression first cooled in a heat exchanger, then in the Turbine side of a cooling turbine, the compressor side of which is loaded is relaxed and thus cooled further and afterwards is supplied to the room to be air-conditioned.

Als Kühlturbine läßt sich insbesondere ein handelsüblicher Abgasturbolader verwenden, indem dessen Turbinenseite die im Wärmetauscher vorgekühlte Luft zur Entspannung zugeführt wird. Damit läßt sich die neuartige Klimatisierungseinrichtung in ihren wesentlichen Komponenten aus handelsüblichen Aggregaten zusammensetzen. Abgasturbolader sind bekanntlich um ein vielfaches billiger als herkömmliche, für Flugzeug-Klimatisierungssysteme eingesetzte Kühlturbinen.In particular, a commercially available cooling turbine can be used Use the exhaust gas turbocharger by turning the turbine side into the Heat exchanger pre-cooled air is supplied for relaxation. This allows the new air conditioning system in their essential components from commercially available units put together. Exhaust gas turbochargers are known to be many times over cheaper than conventional, for aircraft air conditioning systems used cooling turbines.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens besteht darin, daß die Kompressorseite der Kühlturbine Luft frei ansaugt und dadurch belastet ist, daß in ihrem Ausgang ein Rückstauelement zur Erzeugung eines Gegendruckes angeordnet ist. Damit wird erreicht, daß bei den mit Gleitlagern ausgestatteten Abgasturboladern die beiden Laufräder gleichmäßig belastet werden, und ein Axialschub auf die Lager vermieden ist. Durch den Aufbau eines Gegendruckes auf der Kompressorseite der insbesondere als Abgasturbolader ausgebildeten Kühlturbine wird darüber hinaus deren Wirkungsgrad angehoben. Durch das ggf. regelbare Rückstauelement kann das System auf einen optimalen Betriebspunkt eingestellt werden. Als weiterer Vorteil bei der Verwendung eines Abgasturboladers als Kühlturbine ist der niedrige Betriebsdruck von ca. 1,8 bis 2 bar Ü zu sehen, welcher sich in Größe, Leistung und Kosten der Drucklufteinheit (Motor + Kompressor) günstig niederschlägt.Another advantageous development of the inventive concept is that the compressor side of the cooling turbine Air sucks in freely and is burdened by the fact that in its outlet a back pressure element for generating a back pressure is arranged. This ensures that with the plain bearings equipped turbochargers the two impellers be evenly loaded, and an axial thrust on the bearings is avoided. By building a counter pressure on the Compressor side of the particular designed as an exhaust gas turbocharger Cooling turbines will also increase their efficiency raised. Due to the adjustable backflow element, if necessary System can be set to an optimal operating point. Another advantage when using an exhaust gas turbocharger As a cooling turbine, the low operating pressure is around 1.8 to 2 bar Ü to see which is different in size, performance and costs the compressed air unit (motor + compressor) has a favorable effect.

Das Rückstauelement kann beispielsweise als Lochblende, konisches Rohr, regelbares Ventil, Schalldämpfer od. dgl. ausgebildet sein. The backflow element can, for example, be a conical pinhole Pipe, adjustable valve, muffler or the like be.

Ein günstiger Wirkungsgrad der erfundenen Klimatisierungseinrichtung wird dann erreicht, wenn der Energieentzug der verdichteten Außenluft in dem Wärmetauscher bei gleicher Druckstufe, also ohne wesentlichen Druckabfall, erfolgt.A favorable efficiency of the invented air conditioning system is achieved when the energy withdrawal of the compressed Outside air in the heat exchanger at the same pressure level, that is, without a significant drop in pressure.

Mit der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, daß der Wärmetauscher hinsichtlich seiner Luft-Austrittstemperatur regelbar bzw. steuerbar ausgebildet ist. Dadurch läßt sich auf einfache Weise auch die Temperatur der klimatisierten Luft regeln bzw. steuern.With the invention it is further proposed that the heat exchanger adjustable in terms of its air outlet temperature or is designed to be controllable. This makes it easy to Way also regulate the temperature of the conditioned air or Taxes.

Mit dem Ziel einer besonders wirtschaftlichen Lösung der gestellten Aufgabe wird mit der Erfindung ferner vorgeschlagen, daß der Verdichter für die angesaugte Außenluft als Schraubenkompressor ausgebildet ist.With the aim of a particularly economical solution of task is further proposed with the invention, that the compressor for the intake outside air as Screw compressor is designed.

Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.Further goals, features, advantages and possible applications of the present invention result from the following Description of an embodiment with reference to the accompanying Drawing. All of them are described and / or illustrated illustrated features for themselves or in any more meaningful Combination the subject of the present invention also regardless of their summary in the claims or their relationship back.

Die einzige Figur zeigt schematisch ein Schaubild eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Klimatisierungseinrichtung.The only figure shows schematically a diagram of a Embodiment of the air conditioning device according to the invention.

Die angesaugte Außenluft wird von einem dieselgetriebenen, als Schraubenkompressor ausgebildeten Verdichter 1 auf ca. 1,8 bis 2 bar Ü verdichtet und dadurch erwärmt. Dieser erwärmten Druckluft wird durch einen in seiner Luftaustrittstemperatur regelbaren oder steuerbaren Luft-Luft-Wärmetauscher 2 Wärme bei gleicher Druckstufe, d. h. bei im wesentlichen gleichbleibendem Druck entzogen. Die so abgekühlte Druckluft wird über die Turbinenseite 3 einer als Abgasturbolader ausgebildeten Kühlturbine 4 entspannt und damit weiter abgekühlt. Die so klimatisierte Luft kann aus der Turbinenseite 3 dem zu klimatisierenden Raum, also beispielsweise einer Flugzeugkabine, unmittelbar zugeführt werden. Die dem erwärmten Druckgas innewohnende Energie wird in der Kühlturbine 4 als Verdichtungsarbeit über die Welle 8 auf die Kompressorseite 5 der Kühlturbine 4 übertragen. In dem Ausgang 6 der Kompressorseite 5, welche Luft frei ansaugt, ist ein beispielsweise als Lochblende oder konisches Rohr ausgebildetes Rückstauelement 7 vorgesehen, um die Kompressorseite 5 zu belasten. Damit erfolgt eine gleichmäßige Belastung beider Laufräder der Kühlturbine 4, um einen Axialschub auf die Lager zu vermeiden. Die aus dem Ausgang 6 austretende Luft kann beispielsweise zur Ventilation von Geräteinnenräumen u. dgl. verwendet werden.The sucked-in outside air is compressed by a diesel-driven compressor 1 , which is designed as a screw compressor, to approx. 1.8 to 2 bar g and is thereby heated. This heated compressed air is extracted by an air-air heat exchanger 2 which is adjustable or controllable in its air outlet temperature at the same pressure level, ie at essentially constant pressure. The compressed air cooled in this way is expanded via the turbine side 3 of a cooling turbine 4 designed as an exhaust gas turbocharger and thus cooled further. The air conditioned in this way can be fed directly from the turbine side 3 to the room to be air-conditioned, for example an aircraft cabin. The energy inherent in the heated compressed gas is transmitted in the cooling turbine 4 as compression work via the shaft 8 to the compressor side 5 of the cooling turbine 4 . In the outlet 6 of the compressor side 5 , which sucks in air freely, a backflow element 7 , for example in the form of a perforated diaphragm or conical tube, is provided in order to load the compressor side 5 . This results in a uniform loading of both impellers of the cooling turbine 4 in order to avoid an axial thrust on the bearings. The air emerging from the outlet 6 can, for example, for ventilation of device interiors and. Like. Be used.

Die Austrittstemperatur der klimatisierten Luft wird durch Veränderung der Wärmetauscheraustrittstemperatur geregelt, da in der Turbinenseite 3 der Kühlturbine 4 ein weitgehend konstantes Temperaturgefälle von etwa 50 bis 60°C herrscht.The outlet temperature of the conditioned air is regulated by changing the heat exchanger outlet temperature, since a largely constant temperature gradient of approximately 50 to 60 ° C. prevails in the turbine side 3 of the cooling turbine 4 .

Die erfindungsgemäße Klimatisierungseinrichtung läßt sich sowohl als fest installierte als auch als fahrbare Einheit ausbilden.The air conditioning device according to the invention can be both as a permanently installed unit and as a mobile unit form.

Reference symbol list: 1 compressor
2 heat exchangers
3 turbine side
4 cooling turbine
5 compressor side
6 exit
7 backflow element
8 wave

Claims

1.Facility for air conditioning in stationary or moving rooms, such as offices, passenger rooms of vehicles or planes or the like, in which the sucked-in outside air compresses, cooled by heat extraction at the same pressure level, relaxed, thereby further cooled and thus to Air-conditioning room is supplied, characterized in that the sucked-in outside air after compression ( 1 ) is first cooled in a heat exchanger ( 2 ), then in the turbine side ( 3 ) of a cooling turbine ( 4 ), the compressor side ( 5 ) of which is loaded, relaxed and so that it is cooled further and then fed to the room to be air-conditioned.

2. Device according to claim 1, characterized in that an exhaust gas turbocharger is used as the cooling turbine ( 4 ) by the turbine side ( 3 ) of the pre-cooled air in the heat exchanger ( 2 ) is supplied for relaxation.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the compressor side ( 5 ) of the cooling turbine ( 4 ) sucks air freely and is burdened by the fact that in its outlet ( 6 ) a backflow element ( 7 ) is arranged to generate a counter pressure.

4. Device according to claim 3, characterized in that the backflow element ( 7 ) is designed as a perforated diaphragm, conical tube, controllable valve, silencer or the like.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the energy withdrawal of the compressed outside air in the heat exchanger ( 2 ) takes place at the same pressure level.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the heat exchanger ( 2 ) is adjustable or controllable with respect to its air outlet temperature.

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the compressor ( 1 ) for the sucked in outside air is designed as a screw compressor.