DE1451044A1

DE1451044A1 - Einrichtung zur Steuerung von Umgebungsbedingungen

Info

Publication number: DE1451044A1
Application number: DE19641451044
Authority: DE
Inventors: Rice Jun Ned Clayton; Biancardi Frank Raymond; Davison William Richard
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1963-07-09
Filing date: 1964-07-09
Publication date: 1969-06-12
Also published as: GB1019748A; SE313901B; US3259176A

Description

Einrichtung zur Steuerung von Umgebungsbedingungen.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung der Umgebungsbedingungen, in welcher ein Arbeitsmittel zur wahlweisen Erwärmung und Kühlung umgewälzt wird, mit einem Generator, dem Energie für die Verdampfung des Arbeitsmittels zugeführt wird, einer Turbine, einem Kompressor, einem Kondensator, einem Expansionsventil, einer Pumpe und mit einem in Wärmeaustausch mit der zu beeinflussenden Umgebung stehenden Verdampfer, in welcher während des KühlVorganges der Turbine das Gas des Generators für den Antrieb des Kompressors zugeführt wird und in welcher dem Kondensator das Turbinen-Abgas zu dessen Verflüssigung zugeführt wird, wobei ein Teil des verflüssigten Gases bzw. Arbeitsmittels durch die Pumpe wieder in dän Generator eingebracht und der andere Teil des im Kondensator verflüssigten Gases dem Expansionsventil zugeführt wird und das entspannte Arbeitsmittel dem Verdampfer zur Kühlung der Umgebung zugeführt wird, und wobei der Kompressor auf der Verdampfer-Auslass-Seite das aus dem Verdampfer

909824/0339

austretende Arbeitsmittel komprimiert und in den Kondensator fördert. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass für den Heizvorgang das Arbeitsmittel vom Generator unmittelbar dem Verdampfer zugeführt wird und vom Verdampfer über die Pumpe wieder in den Generator eingebracht wird.

Die Erfindung bezieht sich, insbesondere auf Klimaanlagen für die Kühlung oder Heizung von Wohnungen oder Industriegebäuden.

Die heutzutage verwendeten Einrichtungen zur Steuerung der Umgebungsbedingungen un d insbesondere die Klimaanlagen mit Luftkühlung sind vollelektrische Einrichtungen, oder sie werden mit Gas betrieben. Elektrische Anlagen sind in Gegenden, in denen die elektrische Energie teuer ist, vom wirtschaftlichen Standpunkt aus nicht ganz zufriedenstellend, und es sind andere Energieformen wesentlich billiger«

Der grösste Teil der zur Zeit verwendeten gasbetriebenen Klimaanlagen sind Absorptionen-Klimaanlagen. Derartige Anlagen sind in der Anschaffung verhältnismässig teuer, insbesondere in solchen Grossen, die für Wohnzwecke geeignet sind, und sie sind kostspielig zu betreiben und zu unterhalten, was teilweise auf die Korrosionseigenschaften der Arbeitsmittel zurückzuführen ist. Ausserdem sind für die meisten Klimaanlagen der heute ver-

909824/D339

wendeten Art getrennte Heizanlagen erforderlich, um bei kaltem Wetter die Umgebung in gewünschtem Sinne beeinflussen zu können.

Is ist deshalb ein erstes Ziel der Erfindung, eine Einrichtung für die Beeinflussung der Umgebungsbedingungen, und zwar für die Kühlung und/oder Heizung zu schaffen, welche in erster Linie auf der Wärmezufuhr zu dem Kreislauf aufbaut.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Einrichtung zur Steuerung der Umgebungsbedingungen zu schaffen, die von Sommerauf Winterbetrieb umgeschaltet werden kann und eine Steueranordnung enthält, die nicht nur einfach und wirksam arbeitet, sondern auch in den Anschaffungskosten wirtschaftlich ist.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines vollständig abgeschlossenen Wärmezufuhrkreises, welcher ein einziges Arbeitsmittel verwendet.

Diese Ziele ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung des grundsätzlichen thermodynamischen Kühlkreislaufes,

909824/0339

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Temperatur-Entropie-Beziehung des Kreislaufes nach Fig. 1 und

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Einrichtung zur Steuerung der Umgebungsbedingungen gemäss der Erfindung mit den hierfür erforderlichen Steuerungen.

Ein Hauptelement der in Fig. 1 gezeigten Anlage ist der Überhitzerkessel 10, der auch als Generator bezeichnet werden kann. Ein weiteres Grundelement ist der Turbokompressor, der allgemein mit 12 bezeichnet ist und eine Turbineneinheit 14 und eine Kompressoreinheit 16 enthält, die miteinander durch die Welle 26 verbunden sind. In der Anlage sind auch ein Kondensator 18 und ein Verdampfer 20 vorgesehen. Der Kondensator 18 ,_ enthält das Arbeitsmittel in gasförmig-flüssigem Zustand bei ungefähr 52 ⁰C. Das Arbeitsmittel kann z.B. ein Fluor-Kohlenstoff-Kühlmittel (fluorocarbon refrigerant) sein. Das Arbeitsmittel befindet sich an der Station 1 in flüssigem Zustand. Diese Station 1 ist der Kondensatorausgange Von hier aus wird das Arbeitsmittel durch eine elektrisch betriebene Pumpe auf einen höheren Druck und eine etwas höhere Temperatur gebracht. In dieser Beziehung wird auf den in Fig. 2 .gezeigten Zustand des Arbeitsmittels hingewiesen. Es wird erwähnt, dass die mit kleinen Buchstaben versehenen Bezeichnungen in Fig. 2 den

909824/0339

Nummernbezeichnungen in der Darstellung nach Fig. 1 entsprechen.

In dem Kessel oder Generator 10 wird der Flüssigkeit Wärme zugeführt, so dass die Flüssigkeit verdampft wird. Ihr Zustand an der Station 3 ist in dem Temperatur-Entropie-Diagramm der Fig. 2 bei 3a dargestellt. Das Arbeitsmittel ist in dem Kessel vom komprimierten flüssigen Zustand in einen gesättigten oder leicht überhitzten Dampfzustand übergegangen· Das Arbeitsmittel, welches sich an der Station 3 auf einer Temperatur von ungefähr 149 ⁰C befindet, wird durch die Turbine 14 entspannt, wodurch seine Temperatur auf etwa 82 G erniedrigt wird. Die Turbinenausgangsleistung wird für den Antrieb des Kompressors 16 über die Welle 26 verwendet. An der Station 5 hat sich das aus der Turbine austretende Arbeitsmittel (Station 4) mit dem aus dem Kompressor austretenden Arbeitsmittel (Station 8) gemischt, so dass sich die Temperatur des Arbeitsmittelstromes an der Station 5 zwischen den Temperaturen an den Stationen 4 und 8 befindet (siehe 4a, 5& und 8a in Fig. 2). Durch den Kondensator wird das Arbeitsmittel aus Dampf in eine Flüssigkeit kondensiert, und es tritt ein Entropie-Abfall des Arbeitsmittels bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur von etwa 52 ⁰G auf. Ein Teil des aus den Kondensator austretenden Arbeitsmittels fliesst un-

909824/0339

mittelbar dem Expansionsventil 30 zu, welches die Temperatur auf etwa 4 ⁰C an der Station 6 (siehe 6a in Pig. 2) absenkt. Durch den Verdampfer 20 wird das Arbeitsmittel bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur von 4 ⁰C verdampft, wodurch ein beträchtliches Anwachsen der Entropie auf die Station 7 (siehe 7& in #ig· 2) bewirkt wird. Die Abkühlung der Umgebung wird durch die Wärmeabsorption am Verdampfer durchgeführt. Durch den Kompressor 16 wird dann eine beträchtliche Temperatur- und Druckerhöhung von neuem erreicht.

Fig. 3 zeigt im einzelnen die erfindungsgemässe Einrichtung, da die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Dinge im Allgemeinen bekannt sind.

Die Hauptelemente der Einrichtung nach Fig. 3 entsprechen denjenigen nach Fig. 1. Der Kreislauf soll zunächst in der Arbeitsweise als Luftkühler, oder allgemein gesagt, als Klimaanlage beschrieben werden. Normalerweise schliesst der unten in Tig· 3 gezeigte Thermostat den Stromkreis, wenn die Temperatur der beeinflussten Umgebung über .einen festgesetzten Wert ansteigt. Hierdurch wird die Schaltung in der Relaisanordnung 42 erregt, wodurch auch die Spule 44 erregt wird. Durch die Erregung der Spule 44 wird der Doppel schalt er 46

9 0 98 2 k 10 3 3 9

geschlossen, wodurch, sowohl der Kreis 48 als auch, der Kreis geschlossen wird. Der Stromkreis 48 öffnet dann das Hauptgasventil 52. Der Schalter 54 ist normalerweise geschlossen, wenn die Temperatur des Kessels, gemessen durch die Leitung 56, sich unterhalb der maximal zulässigen Grenze befindet. Somit bewirkt die gesamte Schaltung 48 unter diesen Bedingungen die öffnung des Haupt gas vent ils und die Wärmezufuhr zu dem Kessel. Der Flüssigkeitsstandsmesser 60 schliesst einen Kreis 50, wenn der Flüssigkeitsstand zu niedrig ist, wodurch wiederum der Schalter 64 geschlossen wird. Hierdurch, wird die elektrisch angetriebene Flüssigkeitspumpe 24 in Gang gesetzt, wodurch der Stand des Arbeitsmittels in dem Kessel auf der richtigen Höhe gehalten wird, da der Elektromotor durch den FlussigkeitsStandsmesser ausgeschaltet wird, wenn der Ist-Stand den Soll-Stand überschreitet.

Wenn der Druck in dem Kessel auf Grund der Wärmezuführung und Verdampfung des Arbeitsmittels wesentlich ansteigt, erregt die Druckmessleitung 70 die Umformereinrichtung 72, um das Magnetventil 74 zu öffnen, wodurch verdampftes Arbeitsmittel durch die Leitung 76 zur Turbine 14 gelangt (unter diesen Bedingungen ist die Strömung zu der Leitung 210 unterbrochen). Es wird erwähnt, dass das Magnetventil 74 ein Einfachventil sein kann oder durch ein Einfach-Sperrventil und ein Dreiweg-

909824/0339

ventil ersetzt werden kann. Der Kreislauf ist demnach ähnlich, dem nach Fig. 1# Die durch die Entspannung des Arbeitsmittels erhaltene Turbinenausgangsleistung wird für den Antrieb des Kompressors 16 verwendet. Das aus der Turbine austretende Arbeitsmittel durchströmt die Leitung 78, während die aus dem Kompressor austretende Strömung die Leitung 82 durchsetzt. Das gasförmige Mittel wird in den flüssigen Zustand kondensiert in dem Kondensator 18 und .strömt dann durch das Absperrventil 84 in den Aufnahmebehälter 86.

Der Aufnahmebehälter 86 stromabwärts vom Absperrventil 84- ist vorgesehen, um das Arbeitsmittel zu sammeln und um eine Vor- ·· richtung vorzusehen, die jederzeit am Pumpeneinlass Arbeitsmittel bereit hält. Der Aufnahmebehälter bildet auch eine Kammer, in welcher ein Einfüllen und/oder Nachfüllen von Arbeitsmittel in den Kreislauf durchgeführt werden kann.

Der Ausgangsstrom des Kondensators und des Aufnahmebehälters strömen durch die Leitung 90, bevor sie durch die Leitungen und 94 geteilt werden. Die Leitung 92 speist die Pumpe 24, während die Leitung 94 das thermostatische Expansionsventil über das Zweiweg-Magnetventil 96 speist. Das Arbeitsmittel wird beim Durchgang durch das Expansionsventil beträchtlich abgekühlt, und es wird anschliessend über die Leitung 98 dem

909 8 2 4/0339

Verdampfer 20 zugeführt. Der Temperaturfühler 99 stellt die Merkmale des Arbeitsmittels am Auslass des Verdampfers fest und steuert entsprechend die öffnung des Expansionsventils durch Zuführung von mehr oder weniger Arbeitsmittel zu dem Verdampfer 20. Das Expansionsventil und der Temperaturfühler können von üblicher Bauart sein. Die zu kühlende Luft wird durch ein Gebläse 100 über die Verdampfer-Wärmeaustauscherfläche gefördert. Das Gebläse wird durch einen Schalter 102 angelassen, welcher gleichzeitig erregt wird, wenn die Anfangsdruckeinrichtung 72 erregt wird. Dies gilt auch in gleicher

♦
Weise für das Kondensatorgebläse

Der vom Verdampfer ausgehende Strom gelangt dann durch die Leitung 110 zu dem Zweiweg-Magnetventil 112 und von da zur Leitung 114 und zu dem Kompressor 16.

Als Sicherheitsvorrichtung für die Turbine ist eine überdrehzahl -Vorrichtung vorgesehen. Zu diesem Zwecke ist ein schematisch dargestelltes, mit 120 bezeichnetes !Fliehgewicht vorgesehen, welches normalerweise eine Vorrichtung 122 erregt, welche über die Spule 124 den Schalter 126 betätigt, um das Magnetventil 74 zu schliessen und das System stillzusetzen. Zur gleichen Zeit öffnet die Spule 130 den Schalter 102, welcher das Hauptgasventil 52 verschliesst.

909824/0339

Die Steuerung der Kesselbetriebstemperatur oder des Kesselbetriebsdruckes erfolgt durch, die Temperaturfülllerleitung 56, welche den "Schalter 54 öffnet oder schliesst, wodurch das Hauptgasventil auf- oder zugedreht wird und damit die Temperatur des im Kessel enthaltenen Arbeitsmittels in den gesetzten Grenzen gehalten wird. Biese Einrichtung zur Steuerung der Umgebungsbedingungen kann auch als Heizeinrichtung in den Wintermonaten verwendet werden durch Schliessen des passend zu dem oder zusammen mit dem Sommer-Winter-Thermostaten angeordneten Saisons-Schalters 200. Der Thermostat 40 kann ein Doppelskala-Gerät sein, oder er kann auch aus zwei getrennten Saison-Geräten bestehen, die wechselweise in Tätigkeit gesetzt werden.

Durch Schliessen des Saison-Schalters bewirkt jedes der Magnetventile 74, 112 und 96 einen Arbeitsmittelfluss in andere Leitungen als diejenigen, die während der Verwendung als Klimaanlage verwendet werden· Das aus dem Kessel austretende erhitzte Arbeitsmittel durchströmt dann das Ventil 74 und gelangt unmittelbar in die Leitungen 210 und 212, sowie in die Leitung 98} das ist die Einlassleitung für den Verdampfer Während der winterlichen Heizperiode werden also der Turbokompressor 12 und der Kondensator 18 umgangen und abgeschaltet. Das erhitzte Arbeitsmittel strömt dann in den Verdampfer 20

909824/0339

so dass die durcli diesen Verdampfer strömende Luft erhitzt wird. Danach strömt das Arbeitsmittel in die Leitung 110 und durch das Ventil 112 in die Leitung 214. Darauf strömt das Arbeitsmittel durch das Ventil 96 und gegebenenfalls zu der elektrisch betriebenen Arbeitsmittelpumpe 24 und zurück zum Kessel. Die üblichen Sicherheitseinrichtungen mit Ausnahme der Turbinen-tJberdrehzahlsteuereinrichtung sind in dem Heizsystem ebenfalls vorhanden.

Obgleich es in der Zeichnung nicht dargestellt ist, ist es selbstverständlich, dass die Betätigung des Saison-Schalters 200 den Stromkreis des Gebläses 104 leicht unterbrechen kann, wenn das Arbeitsmittel nicht durch den Kondensator 18 strömt.

Es ist offensichtlich, dass durch die Erfindung eine sehr einfache und zuverlässige Einrichtung zur Steuerung der Umgebungsbedingungen geschaffen worden ist. Obgleich gasbetriebene Klimaanlagen auf dem Markt sind, hat es sich herausgestellt, dass diese nicht nur teuer in der Anschaffung sind, sondern auch in ihrer Unterhaltung aufwendig sind. Die vorgenannten Absorptions-Systeme sind durch ihre Arbeitsmittel Korrosionsvorgängen unterworfen, so dass für ihre Unterhaltung hohe Reparaturkosten erforderlich werden. Durch die Erfindung werden eine gedrungene Bauweise, ein guter Wirkungsgrad und gute

909824/0339

Anpassungsfälligkeit erreicht. Eine Anlage kann zur Kühlung im Sommer und zur Heizung im Winter verwendet werden.

Obgleich nur ein Ausführungst»eispiel der Erfindung erläutert worden ist, ist es selbstverständlich, dass verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne dass der Erfindungsgedanke verlassen wird.

909824/0339

Claims

- 13 Patentansprüche.

Λ.) Einrichtung zur Steuerung der Umgebungsbedingungen, in welcher ein Arbeitsmittel zur wahlweisen Erwärmung und Kühlung umgewälzt wird, mit einem Generator, dem Energie für die Verdampfung des Arbeitsmittels zugeführt wird, einer Turbine, einem Kompressor, einem Kondensator, einem Expansionsventil, einer Pumpe und mit einem in Wärmeaustausch mit der zu beeinflussenden Umgebung stehenden Verdampfer, in welcher während des KühlVorganges der Turbine das Gas des Generators für den Antrieb des Kompressors zugeführt wird und dem Kondensator das Turbinen-Abgas zu dessen Verflüssigung zugeführt wird, wobei ein Teil des verflüssigten Gases durch die Pumpe wieder in den Generator eingebracht und der andere Teil des im Kondensator verflüssigten Gases dem Expansionsventil zugeführt wird und das entspannte Arbeitsmittel dem Verdampfer zur Kühlung der Umgebung zugeführt wird, und wobei der Kompressor auf der Verdampfer-Auslass-Seite das aus dem Verdampfer austretende Arbeitsmittel komprimiert und in den Kondensator fördert, dadurch gekennzeichnet, dass für den Heizvorgang das Arbeitsmittel vom Generator unmittelbar dem Verdampfer zugeführt wird und vom Verdampfer über die Pumpe wieder in den Generator eingebracht wird.

909824/0339
2.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein stromabwärts vom Generator angeordnetes erstes Ventil vorgesehen ist, welches der Turbine oder der stromaufwärts liegenden Verdampferseite Arbeitsmittel zuführt oder den Arbeitsmitteldurchlass in jeder Richtung verhindert, dass stromabwärts vom Verdampfer ein zweites Ventil vorgesehen ist, welches das Arbeitsmittel dem Kompressor oder einem zwischen Pumpe und Expansionsventil angeordneten dritten Ventil zuführt, so dass die Einrichtung als Heizung betrieben werden kann, indem das Arbeitsmittel vom Generator durch das erste Ventil zum Verdampfer, vom Verdampfer durch das zweite Ventil zum dritten Ventil, durch das dritte Ventil zur Pumpe und zurück in den Verdampfer geleitet wird, und so dass die Einrichtung als Kühlvorrichtung betrieben werden kann, indem das Arbeitsmittel vom Generator* durch das erste Ventil zur !Turbine, von der Turbine zum Kondensator, vom Kondensator zu einem Teil zum Generator und zum anderen Teil durch das dritte Ventil zum Expansionsventil und zum Verdampfer, vom Verdampfer durch das zweite Ventil zum Kompressor und vom Kompressor zum Kondensator geleitet wird.
3.) Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Wärmeenergie für den Generator ein mit einer Brennstoffquelle verbundener Brenner vorgesehen ist.

90 9824/0339
4-.) Einrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass für die Steuerung des Brennstoffstromes zum Brenner eine von der Turbinendrehzahl "beeinflusste Vorrichtung vorgesehen ist.
5.) Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 - 4-, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Ventile magnetisch betätigbare Ventile sind und dass ein die Ventile betätigender Schalter vorgesehen ist, mit dessen Hilfe die Einrichtung vom Heizbetrieb auf Kühlbetrieb und umgekehrt umgeschaltet werden kann.
6.) Einrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass in der Schalterstellung für Heizbetrieb ein Winter-Thermostat und in der Schalterstellung für Kühlbetrieb ein Sommer-Thermostat eingeschaltet ist.
7.) Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Winter- und Sommer-Thermostat arbeitender Zweiskalen-Thermostat vorgesehen ist.
8.) Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 - 7> dadurch gekennzeichnet, dass für die Steuerung der öffnung des Expansionsventils am Verdampferauslass ein Temperaturfühler vorgesehen ist.

909824/0339
9·) Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekenn-r zeichnet, dass ein die Pumpe steuernder, den Flüssigkeitsstand im Generator feststellender Fühler vorgesehen ist. ·
10.) Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-9» dadurch gekennzeichnet, dass für die Steuerung der vom Generator aufgenommenen Energie ein die Generatortemperatur messender Fühler vorgesehen ist.
11.) Einrichtung nach einem der Ansprüche 2-10, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Druck im Generator messende Vorrichtung vorgesehen ist, welche das erste Ventil und'die auf die Turbinendrehzahl ansprechende Vorrichtung in Tätigkeit setzt.
12.)Einrichtung nach einem der Ansprüche 6-11, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe und die Brennstoffzufuhr zum Generator durch den in Tätigkeit befindlichen Thermostaten in Betrieb gesetzt werden.
13·) Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Klimaanlage ist.
14.) Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass vom Generatordruck beeinflusste Gebläse vorgesehen sind,

909824/0339

·— 17 —

welche eine Luftumwälzung um den Verdampfer und den Kondensator bewirken.

909824/0 33 9

ORIGINAL INSPECTED