DK162799B - Luftkonditioneringssystem - Google Patents

Description

DK 162799 B

i . Denne opfindelse omhandler generelt luft-kredsløbsbaserede luftkonditioneringssystemer og specielt et luft-kredsløbsbaseret luftkonditioneringssystem med forøget effektivitet, og som er drevet af en gasturbinemaskine.

5 Luft-kredsløbsbaserede luftkonditioneringssystemer er velkendte og sædvanligvis anvendt til at køle samt sætte rum under tryk, såsom passagerkabiner i kommercielle og militære flyvemaskiner. En årsag til sådanne systemers popularitet er den betragtelige kølekapacitet, der kan op-10 nås for luftkredsløbsbaserede systemer af relativt beskeden størrelse. En anden grund til populariteten af sådanne systemer har været deres anvendelighed til gasturbinemaskine-drevne køretøjer, hvor kompressorudladningssiden af gasturbinemaskinen repræsenterer en passende kilde for køleluft 15 under tryk til luftkonditioneringssystemet.

Typisk anvender luftkredsløbsbaserede luftkonditioneringssystemer på teknikkens stade en kompressor, som modtager luft under tryk fra en kilde herfor, derefter komprimerer luften til en varmeveksler, hvor luften afgiver 20 en del af kompressionsvarmen. Fra denne varmeveksler ledes den komprimerede luft til en ekspansionsturbine, hvori arbejde, som udføres af luften ved bevægelse af turbinerotoren, forårsager en hurtig ekspansion og afkøling af luften, hvorefter den afkølede luft så bliver udladet til 25 en belastning såsom en flyvemaskinekabine. Turbinen er for bundet til kompressoren ved et boot-strap arrangement, hvorved rotation af turbinerotoren ved hjælp af den ekspanderende luft tilvejebringer inputeffekt til kompressoren.

For de flestes vedkommende har sådanne luftkredsløbs-30 luftkonditioneringssystemer været åbensløjfesystemer. Dvs., efter at have afkølet belastningen, bliver køleluften udstødt udenbords, og kun en lille del af den bliver i nogle tilfælde recirkuleret til turbineudstødningen for at smelte is deri på en måde, der er fremlagt i US patent nr. 4.374.469 til 35 Rannenberg.

2

DK 162799 B

Mens åbensløjfeluftkredsløbsluftkonditioneringssystemer, såsom de, der er beskrevet ovenfor, tilvejebringer effektiv køling og trykdannelse, hvor sådanne systemer bliver både ladet og drevet af gasturbinemaskiner, dikterer den hastigt stigende 5 pris og faldende rådighed af gasturbinemotorbrændstof, at forøgelser i effektivitet for systemet hele tiden bør tilstræbes. Sådanne forøgelser i effektivitet kræves ikke alene for at mi-nimalisere effekten, som ekspanderes af maskinen (og derfor denne brændstofforbrug) ved drift af luftkonditioneringssystemet, 10 men også for at minimalisere den fysiske størrelse af systemet. Tilstræbelse af forøget systemkompakthed såvel som tilstræbelse af forøget effektivitet er vigtig ved reduktion af brændstofomkostninger, der er forbundet med systemdriften,ligesom det muliggør brug af systemet under de begrænsede omgivelsesforhold, 15 som er til stede ved mange gasturbinemotordrevne fartøjer, såsom krydsermissiler, militære flyvemaskiner, kampvogne og andre land- og luftfartøjer.

Det er derfor et hovedmål for den foreliggende opfindelse at tilvejenringe et højeffektivt luftkredsløbsluftkonditionerings-20 sustem, som drives af en gasturbinemotor.

Det er et andet formål med den foreliggende opfindelse at tilvejebringe et sådant luftkredsløbsluftkonditioneringskredsløb, der er kendetegnet ved forøget kompakthed.

Disse og andre formål, som vil fremtræde tydligere ud fra 25 den følgende detaljerede beskrivelse,.der foretages i forbindelse med de fremsatte krav og ledsagende tegninger, opnås ved hjælp af luftkredsløbsluftkonditioneringssystemet i den foreliggende opfindelse, hvori i det væsentlige hele den afkølede luftstrøm, som leveres til belastningen, lige efter sin afkøling bliver udstødt 30 derfra tilbage til indtaget for systemets boot-strap-kompressor, hvorved kompressorturbinen, der er forbundet dertil, samt belast- * ningen bestemmer et lukketsløjfe, højtrykskredsløbssystem, som bliver ladet med kølende luft, der leveres af en gasturbinemotor, og som indgives i det lukkede kølemiddelkredsløb mellem belast-35 ningen og indtaget til systemets kompressor. Et sådant lukket-sløjfearrangement tillader, at påfyldningen af køleluft i systemet genbruges recirkulerende, hvorved gasturbinemotoren, som driver systemet, ikke behøver kontinuert at levere frisk køleluft til belastningen, som det er tilfældet ved tidligere tekniks 3

DK 162799 B

« gasturbinemotordrevne luftkredsløbsluftkonditioneringssystemer. Dette forhøjer naturligvis systemets effektivitet ved at reducere den belastning, som systemet udgør for gasturbinemotoreffekt-kilden. Recirkulation af al køleluften fra belastningen til 5 systemkompressoren i modsætning til udstødning til omgivelserne "forsegler" yderligere i virkeligheden systemsløjfen, hvorved det gøres muligt for systemet at arbejde ved højere kølemedietryk end tidligere tekniks åbensløjfesystemer. Drift ved sådanne højere tryk forøger yderligere systemets effektivi-10 tet ved at reducere de parasitiske tab, som er knyttet til systemets væskehåndteringsapparatur. De højere systemdriftstryk er også ansvarlige for højere kølemedietætheder, hvorved køling udføres med mindre mængder luft og derfor mere kompakt apparatur. Forbindelsen mellem belastningen og kompressorindtaget 15 gør også regenerativ varmeveksling mellem luft, som bliver udstødt fra belastningen, og turbineindsugningsluften bekvem, hvorved systemets effektivitet yderligere forøges.

Systemet i den foreliggende opfindelse indbefatter også et element, såsom en termostat til måling af belastningens 20 kølingsbehov og tilvejebringelse af et udgangssignal, som indikerer disse behov til et styreelement, såsom en ventil, der regulerer luftstrømmen gennem systemet som reaktion herpå, hvorved outputtet af systemet (og derfor inputtet dertil) er begrænset af belastningens kølingskrav. Denne systemudgangs-25 styreventil kan være anbragt i en ledning, gennem hvilken luft som kølemediefyldning bliver tilført systemet fra kompressorudladningssektionen af gasturbinemotoren eller i en ledning, der by-pass’er systemets turbine, hvorved den regulerer luftmængden, der ledes gennem turbinen. Yderligere regulering for 30 at sænke systemets køle-output kan tilvejebringes af en styreventil i et udstødningsrør, der fører udenbords fra udladningssiden af kompressoren for yderligere at reducere luftladningen, der cirkulerer i lukketsløjfesystemet, og hvor en sådan styreventil bliver indstillet på den samme måde som indgangsstyre-

*3 C

ventilen, der er nævnt ovenfor, dvs. som reaktion på belastningens kølingsefterspørgsel.

4

DK 162799 B

Ved forhøjede (og derfor forøgede) systemdriftstryk kan der tilvejebringes forsyningsluft fra gasturbinemotoren til systemets boot-strap-kompressor ved hjælp af en hjælpekompressor, der trinvist forøger lufttrykket ud fra det, der er i motorens 5 kompressorudladningssektion. Hjælpekompressoren bliver drevet af enten gasturbinemotorens rotor eller af en effektturbine, som drives af luft, der bieedes fra motorens kompressorudladningssektion. Systemets hoved-bootstrap-kompressor, såvel som hjælpekompressoren, kan drives direkte af rotoren på gasturbine-10 motoren, indirekte ved hjælp af hydraulisk eller elektrisk transmission, som drives af gasturbinemotorens rotor, eller ved hjælp af en effektturbine, som drives af udladeluften fra maskinens kompressor. Outputtet fra effektturbinen bliver kontrolleret ved at styre kompressorudladeluften, som leveres 15 til effektturbinen, enten med en styreventil eller alternativt ved hjælp af et effektturbineindtag, som har variabel geometri, og som bliver indstillet som reaktion på kølingsefterspørgslen fra belastningen.

Fig 1 er et skematisk billede af en foretrukket udførelse 20 . - f0r luftkredsløbsluftkonditionerihgssystemet i dén foreliggende opfindelse, fig 2 er et skematisk billede af en første alternativ udførelse for luftkredsløbsluftkonditioneringssystemet, fig 3 er et skematisk billede af en anden alternativ ud-25 førelse af systemet i den foreliggende opfindelse, fig 4 er et skematisk billede af en tredie alternativ udførelse af luftkonditioneringssystemet i den foreliggende opfindelse, og fig 5 er et skematisk billede af en fjerde udførelse af 30 luftkonditionerings systemet i den foreliggende op findelse .

Den bedste udførelsesmåde for opfindelsen og den industrielle anvendelighed heraf_ I henhold til fig 1 bliver luftkredsløbsluftkonditionerings- o c systemet i den foreliggende opfindelse, som generelt betegnes med 10, både ladet og drevet af en gasturbinemaskine 15 og tilveje- 5

DK 162799 B

"bringer køling samt om nødvendigt tryksætning af en belastning 20. Typisk indbefatter gasturbinemaskinen 15 en kompressor 22, der er drevet af en turbine 25, hvor rotorerne af turbinen og kompressoren er forbundet med en aksel 30, der har et konisk 5 tandhjulsgear påmonteret. Som velkendt fra turbinemaskinteknikken bliver luft trukket ind i kompressoren, komprimeret til et forøget tryk, udladet fra kompressoren i udladningssektionen 37 og blandet med brændstof i brænderen 4-0, hvor luf tbrændstof blandingen bliver brændt. Forbrændingsprodukterne, der udstødes fra brænderen 10 40, bliver ført til turbinen 25, hvorved turbinen drives for både at effektforsyne kompressoren og tilvejebringe nyttetryk gennem udstødningsdyse 45.

Luft fra kompressorudladningssektionen 37 for gasturbinemaskinen 15 forsyner kølesystemet 10 gennem rør 50, der har en 15 kontraventil 55 og en styreventil 60 deri. Denne systemforsyningsluft har typisk et tryk i området 2.069 til 6.897 bar. Fra kanal 50 fødes forsyningsluften gennem kanal 65 til hjælpekompressor '70, som forkomprimerer lukketsløjfekøleluften, idet den forkomprimerede luft aflades til bootstrap-kølekompressoren 75 gennem 20 rør 80. Kompressor 75 komprimerer yderligere køleluften med henblik på levering til optagevarmeveksler 85 gennem ledning 90. Det kombinerede trykforhold for hjælpekompressor 70 og bootstrap-kompressor 75 er typisk af størrelsen 3 til 1 ved arbejdspunktet for maksimal kølekapacitet i systemet·. Ledning 95 kommunikerer 25 med ledning 90 medstrøms for kompressor 75 og indbefatter en styreventil 100 for at tilvejebringe den selektive udstødning af den komprimerede forsyningsluft udenbords som reaktion på reducerede kølingskrav for belastningen, der kalder på reduceret lukketsløjfekølemedielufttryk på en måde, som herefter vil blive 30 diskuteret i nærmere detaljer. Den komprimerede køleluft bliver afkølet i optagevarmeveksler 85 ved hjælp af den tilstedeværende komprimeret luft i varmeveksling med en passende varmeoptager, såsom kølerens omgivelsesluft. Fra optagevarmeveksleren ledes den komprimerede luft gennem ledning 105 til en regenerativ varmeveksler 110 og derefter gennem ledning 115 til ekspansions (kølings) turbine 120, hvis rotor er forbundet til rotoren for bootstrap-kompressor 75 med aksel 125- I traversen på turbine

DK 162799 B

6 120 får den komprimerede luft turbinerotoren (og derfor rotoren på kompressor 75) til at rotere, hvorved der udføres arbejde derpå, så der forårsages en ekspansion af luften i turbinen, hvorved luften typisk afkøles for at tilvejebringe et tempe-5 raturfaid på ca. 30°C, nå r trykket bliver sænket ved et trykforhold på 3 til 1. Den afkølede og ekspanderede luft bliver udstødt fra turbinen gennem ledning 130 til en belastningsvarmeveksler 135, som udgør en del af belastning 20. I belastningsvarmeveksleren afkøler udstødningsluft fra køletur-10 binen 120 en flydende varmevekslervæske, såsom f.eks. etylen-glykol, der cirkulerer gennem lukketsløjfe 140 mellem belastningsvarmeveksler og belastning 145 for at blive afkølet, såsom ved et rum med elektrisk udstyr i en flyvemaskine eller landfartøj eller et hvilket som helst andet rum, der skal 15 køles ved hjælp af den afkølede væske i sløjfe 140. Pumpe 150 cirkulerer væsken rundt i sløjfe 140 mellem belastningsvarmeveksler 135 og rum 145. For at få fuldt udbytte af den tilbageværende kølekapacitet af luften bliver luften, som udstødes fra belastningsvarmeveksleren, ført gennem regenerativ varmeveksler 20 110, hvor den holdes under varmeveksling med luft, der føres til indtaget for turbine 120 gennem ledninger 105 og 115 til forkøling af indtagsluften til turbinen. Den regenerative varmeveksler llo har udstødning gennem ledning 65, gennem hvilken luften bliver returneret til hjælpekompressor 70 for recirku-25 lation gennem luftkonditioneringssystem 10.

Reguleringsventiler 60 og 100 bliver styret som reaktion på følere (termostater) 160 og 165, der er anbragt inden for rum 145. Disse termostater tilvejebringer signaler, som indikerer den aktuelle og ønskede temperatur i rum 145 til regula-30 torer/aktuatorer 170 og 175 gennem ledninger, henholdsvis 180 og 185. Regulatorer/aktuatorer 170 og 175 er mekanisk forbundet til ventiler 60 og 100 gennem et hvilken som helst passende forbindelseselement, såsom ledforbindelser eller lignende, som indikeret ved linier 190 og 195.

Ud fra beskrivelsen i det foranstående fremgår virkemåden af system 10 tydeligt. Hjælpekompressor 70 forkomprimerer luften, der leveres fra kompressorudladningssektionen 37 i gasturbinemaskinen 15 før levering til systemets hovedkompressor 75.

7

DK 162799 B

Kompressor 75 komprimerer yderligere luften og udstøder luften til optagevarmeveksler 85, hvori den komprimerede luft afgiver varme til omgivelserne eller en hvilken som helst anden passende varmeoptager, der er til rådighed. Den komprimerede luft bliver 5 yderligere afkølet i den regenerative varmeveksler 110 ved afgivelsen af varme til luften, der udlades fra belastningsvarmeveksler 135 før den komprimerede lufts indtræden i ekspansionsturbinen 120, hvori luften bliver ekspanderet og afkølet med henblik på levering til belastningsvarmeveksler 135. Det flydende kølemid-10 del, der cirkulerer i sløjfe 140, bliver afkølet inden i varmeveksler 135 og leveret til rum 145 for afkøling af dette. Luft, der udlades fra belastningsvarmeveksleren, bliver udstødt til den regenerative varmeveksler for at forkøle turbineindtagsluften, som beskrevet i det foranstående, og så udstødt til 15 hjælpekompressor 70, hvori det igen bliver forkomprimeret til næste cyklus.

Kapaciteten af luftkonditioneringssystem 10 bliver styret, og inputeffekten til systemet bliver begrænset af ventiler 60 og 100, som bestemmer kølemedielufttryk i sløjfen. Ved statio-20 nære driftsforhold, dvs. når afkølingen, der tilvejebringes af system 10, er lig med den, der fordres af rum 145, og under forudsætning af ingen luftlækage fra systemet, holdes begge ventiler 60 og 100 i lukket tilstand af regulatorer/aktuatorer 170 og 175, og de forskellige tryk og strømningshastigheder i 25 systemet forbliver konstante ligesom kølingsoutputtet derfra.

I tilfælde af, at der behøves mindre køling i rum 145, vil re-gulator/aktuator 175 åbne reguleringsventil 100 for at udstøde kølemedie udenbords, hvorved kølemedietrykket i systemet 10 reduceres og således også akseleffekten, som optages af hjælpe-30 kompressoren 70 og den kinetiske energi, der optages af systemets hovedkompressor 75 fra gasturbinemaskinens kompressorudstødningsluft. Dette reducerer naturligvis den effekt, som forbruges af maskine 15 ved drivning af systemet. Hvis kølingsbehovet for rum 145 falder væsentligt, åbner aktuator/regulator 35 175 helt reguleringsventil 100 som reaktion på et outputsignal 8

DK 162799 B

fra føler 165, mens aktuator/regulator 170 som reaktion på et outputsignal fra føler 160 helt lukker reguleringsventil 60 med henblik på maksimal reduktion af kølemedietryk og inputeffekt til systemet. Når kølingsbehovet for rum 145 vokser, 5 lukker aktuator/regulator 175 reguleringsventil 100 som reaktion på outputsignalet fra termostat 165, mens aktuator/regulator 170 åbner reguleringsventil 60 som reaktion på outputsignalet fra termostat 160, hvorved kølemedietrykket i system 10 hæves, for at forøge kapaciteten og derfor ydelsen derfra.

10 Det ses, at det gasturbinemaskinedrevne luftkredsløbs miljøkontrolsystem i den foreliggende opfindelse tilvejebringer effektiv belastningskøling med forøget effektivitet. Eftersom systemet er et lukketsløjfesystem, skal gasturbinemaskinen ved stationære forhold kun tilvejebringe den energi, der er nød-15 vendig for at opnå den krævede køling fra en konstant mængde køleluft, og behøver derfor ikke kontinuert at levere køleluft, som det er tilfældet i åbne systemer, hvori køleluften bliver udstødt udenbords efter at have afkølet belastningen. Ydermere tillader systemets lukketsløjfenatur systemet at arbejde ved 20 væsentligt højere kølemedietryk end dem, ved hvilke åbensløjfe-systemer arbejder. Med reguleringsventilen for indgangsluft helt åben er det laveste tryk i systemet lige så højt som fuldt maskinekompressorudladetryk, og det højeste tryk i systemet, køleturbineindgangstrykket, vil typisk være højere med et tryk-25 forhold på 3 til 1. Sådanne højere tryk i luftsløjfen giver sig til kende ved højere lufttætheder og muliggør således afkøling med lavere volumetriske strømningshastigheder for køleluft og således med mere kompakt udstyr end åbensløjfesystemer, der arbejder ved lavere tryk. Ydermere reducerer arbejde ved højere 30 tryk strømningstryktabene pr. strømningsenhed for luften, hvorved effektiviteten af systemet yderligere forøges. Regenerativ varmeveksling mellem den luft, som bliver udstødt af belastningsvarmeveksleren og turbineindgangsluften forøger yderligere systemets effektivitet, særligt hvor temperaturforskellen mellem 35 luften, som kommer ind i og forlader belastningsvarmeveksleren 135, er væsentligt mindre end forskellen i temperatur mellem rum 145 og (omgivelses)-varmeoptageren, hvortil varme fra sytemets kompressorudladningsluft bliver bortledet i varmeveksler 85.

9

DK 162799 B

Under sådanne omstændigheder mister køleluften kun en mindre del af sin kølekapacitet, når den passerer igennem belastningsvarmeveksler 135, og passage gennem regenerativ varmeveksler 110 tillader den resterende kølekapacitet i belastningsluften 5 at blive udnyttet ved forkøling af indgangsluften til turbine 12o.

I de resterende tegninger vises der alternative udførelser af det gasturbinedrevne luftkredsløbsluftkonditioneringssystem, og hvor de respektive referencenumre betegner de tilsvarende 1° komponenter. Det ses således, at systemet i fig 2 fungerer på nøjagtig samme nåde som systemet, der er vist i fig 1, med undtagelse af styringen af systemkapacitet. I fig 1 blev kapacitetsstyring og derfor inputeffektstyring og køleoutputstyring påvirket ved at styre adgangen af luft fra gasturbinemaskinens 15 kompressor til systemet samt udstødningen udenbords af systemets kompressorudladningsluft. I udførelsen i fig 2 bliver kapaciteten og derfor inputeffekt til, samt outputeffekt fra systemet styret ved at modulere mængden af komprimeret luft, der bypass'er systemets ekspansionsturbine 120.

20 Som det ses i fig 2, bypass'er en del af kompressorudlad ningsluften turbinen gennem kanal 210, som forbinder kanaler 115 og 130 og har en reguleringsventil 215 anbragt deri. Ventil 215 bliver betjent af regulator/aktuator 220, som reagerer over for outputsignalet fra termostat 225, der er monteret i belastnings-25 rummet. Det ses således, at åbning af reguleringsventil 215 af aktuator/regulator 220 som reaktion på et signal, der indikerer reducerede kølebehov, vil formindske luftstrømmen gennem ekspan-a.onsturbinen og derfor mængden af køling, der er til rådighed ved belastningsvarmeveksler 135 og regenerativ varmeveksler 110.

30 På lignende måde vil lukning af ventil 215 forøge mængden af køleluft, der strømmer gennem ekspansionsturbine 120 og derfor mængden af køling, som er til rådighed ved belastningen og de regenerative varmevekslere. Ligesom ved deaførste udførelse opnås der ved denne anden udførelse modulation af kølemedietryk 35 og derfor tilført systemeffekt ved hjælp af ventil 60, som styrer adgangen af gasturbinemaskinekompressorudladningsluft som reaktion på outputtet fra termostat 160. I fig 2 er akselforbindelsen blevet erstattet af en effektturbine 226, der er forbundet til 10

DK 162799 B

hjælpekompressoren ved aksel 227 og drevet af luft fra maskinens kompressorudladningssektion 37. Sådan luft leveres gennem ledning 228 og udstødes udenbords fra effektturbinen gennem udladningsdyse 229.

5 I udførelsen, der er vist i fig 3, er udstødningen af luft, som udlades fra systemets kompressor til styring af systemkapaciteten, blevet fjernet. Det forventes, at der vil optræde normal lækage af køleluft fra systemet, og derfor kan styring af systemkapacitet ske ved modulation af inputluft ved 1° hjælp af ventil 60 alene. Tilsvarende ses det, at en reduktion i kapacitet opnås ved lukning af ventil 60, hvorved normal lækage fra systemet ikke udgøres af kompressorudladningsluft fra gasturbinemaskinen. En forøgelse i kapacitet opnås ved åbning af ventil 60, hvorved trykket i systemet forøges. Det 15 bemærkes yderligere, at hjælpekompressoren er blevet fjernet i denne udførelse, og systemets hovedkompressor bliver drevet . .

dels af ekspansionsturbinen, som i fig 1, og dels ved hjælp af forbindelse (gennem turbinerotoren) med gasturbinemaskinens spool ved hjælp af aksel 230 og gear 235.

20 I realiseringen i fig 4 bliver kompressor 75 drevet af en effektturbine 240, som er forbundet dertil ved hjælp af aksel 245. Effektturbine 240 bliver drevet af luft, som leveres dertil fra kompressorudladningssektion 37 på gasturbinemaskinen gennem ledning 247. Ventil 60 styrer samtidigt rumfanget af 'køle-25 luft, der lader system 10, og som driver turbinen 240, hvorved den samtidigt styrer kapaciteten af systemet og inputeffekten dertil. Luften, der driver turbine 240, bliver udstødt udenbords derfra gennem udladningsdyse 250.

Udførelsen i fig 5 anvender ligesom udførelsen i fig 4 30 en effektturbine til at drive kompressor 75* Imidlertid styres i fig 5 systemets kapacitet og inputeffekten dertil af de juster- ' bare turbineindgangsdy seblade 260, som betjenes af aktuator 265, der indstiller det effektive indtagningsareal som reaktion på regulator 270, og hvor denne regulator reagerer over for et 35 output signal fra termostat 275 i belastningen. Der kræves ingen modulation af indgangsluft til kompressor 75 ved hjælp af en 11

DK 162799 B

reguleringsventil. Tilsvarende ses det i fig 5, at en forøgelse i efterspørgsel efter køling resulterer i åbningen af turbineindtag 260, hvorved inputeffekten til turbinen forøges, og således til kompressor 75. En sådan forøgelse i turbineindgangs-5 effekt har en dobbelt virkning, nemlig en forøgelse af det effektive trykforhold over systemets hovedkompressor 75 for at forøge trykket af den luft, som udlades derfra og ligeledes en forøgelse i luftstrømmen fra kompressorsektion 37 i gasturbinemaskine 15. En reduktion i kølingsefterspørgsel fra 10 belastningen justerer ligeledes turbineindgangsbladene for at reducere indgangseffekt til turbinen og således kompressor 75, hvorved trykforholdet over kompressor 75 sænkes og luftstrømmen derigennem formindskes.

Mens udførelserne af den foreliggende opfindelse, der 15 er beskrevet heri, kan afvige med hensyn til mekanismerne til styring af indgangseffekten til, og kapaciteten for system 10, udviser alle udførelserne de fælles karakteristika for et lukketsløjfe, højtryksluftkredsløbskølesystem, der er ladet og drevet af en gasturbinemaskine og indbefatter styreelementer, 20 der reagerer over for kølingsbehov for at afstemme systemkapacitet med kølingsbehov for at opnå optimal systemkompakthed of effektivitet. Mens der er vist adskillige realiseringer, vil de-t forstås, at ud fra fremlæggelsen her vil adskillige modifikationer frembyde sig selv over for fagfolk, og det er hen-25 sigten med de følgende krav at dække sådanne modifikationer, som falder inden for ånden og rækkevidden af denne opfindelse.

30 35

Claims (14)

1. Et luftkredsløbkølesystem til tilvejebringelse af afkølet køleluft til en belastning (135,20) med henblik på 5 afkøling deraf, og hvor nævnte system er tilpasset med henblik på levering dertil af komprimeret ladeluft fra kompressorudladningsdelen (37) af en gasturbinemaskine (15), og som omfatter en kølemediekompressor (75) til forhøjelse af trykket for nævnte køleluft, og hvor luftstrøm, der udstødes fra 10 nævnte kølemediekompressor (75), bliver dirigeret til en ekspansionsturbine (120) med henblik på afkøling derved og udladning derfra til nævnte belastning (135,20), og hvor nævnte ekspansionsturbine (75) og kølemediekompressor (120) er mekanisk forbundne med organer (155,65,80) til udstødelse af i 15 det væsentlige hele luftstrømmen fra nævnte belastning (135,20) til et indtag for nævnte kølemediekompressor (75), hvorved nævnte kølemediekompressor (75), nævnte ekspansionsturbine (120) og nævnte belastning (135,20) definerer et lukket sløjfecirkulationssystem (80,90,105,115,30,155,65) 20 kendetegnet ved at omfatte en første ledning, der forbinder nævnte kompressorudladningssektion (37) for nævnte gasturbinemaskine med nævnte lukkede sløjfecirkulationssystem (80,90,105,115,30,155,65) mellem nævnte ekspansionsturbineudladning og nævnte køle-25 mediekompressorindtag med henblik på tilvejebringelse af nævnte ladeluft til nævnte kølesystem (10), hvorved systemlufttrykket kan opretholdes i det mindste på væsentligst det samme niveau som gasturbinemaskinekompressorudladnings-trykket, 30 midler (160) til måling af kølebehovet for nævnte be lastning (135,20) og tilvejebringelse af et outputsignal, som indikerer dette, og et første styremiddel (60,100,215), som er anbragt i nævnte kølesystem (10), og som reagerer over for outputsig-35 nalet fra nævnte følemiddel (160) med henblik på at styre strømmen af luft gennem nævnte kølesystem, hvorved kapaci- DK 162799B teten deraf styres som reaktion på kølebehovet for nævnte belastning (135,20).

2. Kølesystem ifølge krav 1, kendetegnet ved en anden ledning (210), som bypass'er nævnte ekspansionstur-5 bine (120) med i det mindste en del af kølemiddelkompressorens udladningsluft, og at nævnte første styremiddel (60,100,215), omfatter en reguleringsventil (215), der er anbragt i nævnte anden ledning (210) for at styre strømmen af nvænte bypass-luft omkring nævnte turbine (120). 10

3. Kølesystem ifølge krav 1, kendetegnet ved nævnte første styremiddel (60) omfatter en reguleringsventil (60), der er anbragt i nævnte første ledning (50) for at styre strømmen af forsyningsluft til nævnte kølesystem (10).

4. Kølesystem ifølge krav 1, kendetegnet ved 15 en tredie ledning (95), som forbinder en indgang derfor med nævnte lukkede sløjfesystem ved udladningen af nævnte kølemiddelkompressor (75) og en udenbords udstødning, og at nævnte første styremiddel (60,100,215), omfatter en styreventil (100), der er anbragt i nævnte tredie ledning (95) til 20 styring af strømmen af kølemiddelkompressorens udladningsluft, som udstødes udenbords fra nævnte kølesystem (109).

5. Kølesystem ifølge krav 1, kendetegnet ved at nævnte lukkede sløjfecirkulationssystem omfatter en varmeveksler (85) med varmestråling mellem tryksiden af nævnte 25 kølemiddelkompressor (75) og indtaget for nævnte ekspansionsturbine (120), hvorved den nævnte varmeveksler (85) med varmestråling er indrettet til at udføre varmeveksling mellem luft som er udladet fra nævnte kølemiddelkompressor (75) og en varmeoptager til forkøling af nævnte kølemiddelkompressors 30 udladningsluft før dennes adgang til nævnte ekspansionsturbine, hvorved nævnte varmeoptager fortrinsvis omfatter en væske, der normalt har en lavere temperatur end den, som nævnte kølemiddelkompressors udladningsluft har.

6. Kølesystem ifølge krav 1, kendetegnet ved 35 at nævnte lukkede sløjfecirkulationssystem omfatter en regenerativ varmeveksler (110), som har forbindelse med tryksiden for nævnte kølemiddelkompressor (75) og indtaget samt DK 162799 B udstødningen for nævnte ekspansionsturbine (120), hvorved nævnte regenerative varmeveksler (110) holder luft, som er udladet fra nævnte kølekompressor (75), i varmeveksling med luft, der er udstødt fra nævnte ekspansionsturbine (120) med 5 henblik på forkøling af nævnte kølemediekompressors udladningsluft før dennes adgang til nævnte ekspansionsturbine (120).

7. Kølesystem ifølge krav 1, kendetegnet ved at nævnte belastning omfatter elementer (20), der skal af- 10 køles, en belastningsvarmeveksler (135) i væskeforbindelse med udstødningen fra nævnte ekspansionsturbine (120), og en lukket sløjfe (140) med væske, som cirkulerer mellem nævnte elementer (20), der skal afkøles, og nævnte varmeveksler (135), hvorved der overføres varme fra nævnte varme-15 veksler (135) til nævnte ekspansionsturbineudstødning.

8. Kølesystem ifølge krav 1, kendetegnet ved en hjælpekompressor (70), som er drevet af nævnte gasturbinemaskine (15) og forsynet med luft fra kompressorudladningsdelen (37) via nævnte første ledning (50), hvorved ud- 20 ladningen fra nævnte hjælpekompressor (70) bliver ført til indgangen for nævnte kølemiddelkompressor (85) med henblik på forkomprimering af luften, som leveres dertil af nævnte gasturbinemaskine (15), hvorved rotoren i nævnte gasturbinemaskine fortrinsvis er mekanisk forbundet til rotoren på 25 nævnte hjælpekompressor (70) med henblik på drivning deraf, eller en effektturbine (226) fortrinsvis er i væskeforbindelse med nævnte gasturbinemaskines kompressorudladningssektion (37) og drevet af luft, som er tilvejebragt derved, hvorhos en rotordel af nævnte effekt-30 turbine (226) er mekanisk forbundet til rotoren i nævnte hjælpekompressor (70) med henblik på drivning heraf.

9. Kølesystem ifølge krav 1, kendetegnet ved at en effektturbine (240) er i væskeforbindelse med nævnte gasturbinemaskines kompressorudladningssektion (37) og 35 drevet af luft, som tilvejebringes derved, at en rotordel af nævnte effektturbine (240) er mekanisk forbundet til rotoren i nævnte kølemiddelkompressor (75) med henblik på drivning DK 162799 B deraf, hvilken effektturbine (240) fortrinsvis står i forbindelse med nævnte gasturbines kompressorudladningssektion (37) ved hjælp af nævnte første ledning (50), og hvorved nævnte første styreelementer (60,100,215) fortrinsvis omfat-5 ter en reguleringsventil (60), der er anbragt i nævnte første ledning (50) til styring af både strømmen af forsyningsluft til nævnte kølesystem (10) og strømmen af luft til drivning af nævnte effektturbine (240).

10. Fremgangsmåde til køling af en belastning med et 10 luftkredsløbkølesystem, hvilken fremgangsmåde omfatter trinene at tilvejebringe ladeluft fra kompressorudladningssektionen (37) på en gasturbinemaskine (15) til indgangen for en kølemiddelkompressor (75) i nævnte kølesystem (10), yderligere at komprimere nævnte forsyningsluft i nævnte køle-15 middelkompressor (75), at køle nævnte komprimerede forsyningsluft ved varmeoverførsel derfra til en varme-optager (85), at afkøle og ekspandere nævnte komprimerede luft i en ekspansionsturbine (120) og afkøle nævnte belastning (135,20) ved at lede nævnte afkølede og ekspanderede 20 luft derigennem, kendetegnet ved trinene: Forsyning af nævnte ladeluft til nævnte kølesystem uden væsentligt at sænke trykket derfor, og udstødning af nævnte afkølede og ekspanderede luft fra nævnte belastning og overføring af i det væsentlige hele den nævnte belastnings-25 udstødningsluft til nævnte indgang for nævnte kølemiddelkompressor (75) hvorved nævnte kølesystem arbejdede i en lukket sløjfe ved tryk i det mindste væsentligt lige så højt som kompressorafladningstrykket for nævnte gasturbinemaskine (15), måling af kølebehovet for nævnte 30 belastning (135,20) og tilvejebringelse af et outputsignal, som indikerer det, og styring af størrelsen af ladeluftstrømmen fra nævnte gasturbinemaskines kompressorudladningssektion (37) til nævnte kølemiddelkompressorindtag som reaktion på nævnte outputsignal, og derved styring af 35 kapaciteten for nævnte kølesystem som reaktion på køle behovet for nævnte belastning (135,20).

11. Fremgangsmåde ifølge krav 10, kendetegnet DK 162799 B ved trinene: Omløb af nævnte ekspansionturbine (120) med en del af nævnte komprimerede luft fra den nævnte kompressor (75), og styring af størrelsen af strømmen af nævnte komprimerede luft, som omløber nævnte turbine (120) som reaktion på 5 nævnte outputsignal, og derved styring af kapaciteten for nævnte kølesystem som reaktion på kølebehovet for nævnte belastning.

12. Fremgangsmåde ifølge krav 10, kendetegnet ved trinet at lede nævnte komprimerede luft i regenerativ 10 varmeveksling med nævnte afkølede og ekspanderede luft, som udlades fra nævnte ekspansionsturbine (120), idet derved forkøles nævnte komprimerede luft før dennes adgang til nævnte ekspansionsturbine (120).

13. Fremgangsmåde ifølge krav 11, kendetegnet 15 ved trinene: Drivning af nævnte kølesystemkompressor (75) med en effektturbine (240), som drives af nævnte gasturbinemaskines kompressorudladningsluft, og styring af størrelsen af luftstrømmen fra nævnte gasturbinemaskines kompressorudladningssektion (35) til nævnte effektturbine (240) som 20 reaktion på nævnte outputsignal, idet derved styres driften af nævnte kølemiddelkompressor og derfor kapaciteten af nævnte kølesystem som reaktion på kølebehovene for nævnte belastning.

14. Fremgangsmåde ifølge krav 10, kendetegnet 25 ved trinet at forkomprimere nævnte gasturbinemaskines kompressorudladningsluft ved hjælp af en hjælpekompressor (70), som drives af nævnte gasturbinemaskine (15), før nævnte kompressorudladningsluft ledes til nævnte kølemiddelkompressor (75). 30 .35