DE3444012C2 - Klimaanlage mit Luftumwälzung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Klimaanlage mit Luftumwälzung nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und auf ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Klimaanlage.

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

Bekannte Klimaanlagen mit Luftumwälzung weisen einen Verdichter auf, welcher die von einer Quelle kommende Druckluft empfängt und weiter verdichtet und die weiterverdichtete Druckluft einem Wärmetauscher zuführt, in welchem die Luft einen Teil ihrer Verdichtungswärme abgibt. Von diesem Wärmetauscher wird die Druckluft einer Expansionsturbine zugeführt, in welcher die Luft Arbeitet leistet und den Rotor der Turbine antreibt. Die von der Luft geleistete Arbeit führt zu einer raschen Ent­ spannung und Abkühlung der Luft. Die abgekühlte Luft wird dann an einen Verbraucher bzw. Arbeitskörper, wie beispielsweise an die Kabine eines Flugzeugs abgegeben. Die Turbine ist über eine Treibriemen-Anordnung mit dem Verdichter verbunden, so daß die von einer expandierenden Luft hervorgerufene Drehung des Turbinenrotors die Antriebsenergie für den Verdichter dar­ stellt.

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 4 374 469 angegeben ist.

Obgleich sich die mit einem offenen Kreislauf arbeitenden Klima­ anlagen für bestimmte Anwendungsfälle als wirksam erwiesen haben, macht die Notwendigkeit, die Kühlluft ständig aus der Um­ gebung anzusaugen, diese Klimaanlagen für eine Verwendung in einer verschmutzten und verseuchten Umgebung ungeeignet. Klimaanlagen mit einem geschlossenen Luftkreislauf sind dagegen in der Lage, mit Hilfe einer in sich geschlossenen, umlaufenden Menge an Kaltluft für eine Kühlung zu sorgen. Klimaanlagen mit einem geschlossenen Kreislauf haben einen besseren Wirkungsgrad als Klimaanlagen mit einem offenen Kreislauf und eignen sich mehr für eine Verwendung in einer verseuchten Umgebung, wie sie beispielsweise bei einer chemischen Kriegsführung auftritt. Klimaanlagen mit einem geschlossenen Kreislauf erfordern im all­ gemeinen die vorstehend erwähnte Wärmeabfuhr an die Umgebung mit Hilfe eines die Wärme ableitenden Wärmetauschers am Austritts­ ende des Kälteverdichters. Eine Klimaanlage mit einem die Wärme an die Umgebung abführenden Wärmetauscher ist aus der US 4,209,993 bekannt; diese Klimaanlage arbeitet allerdings mit einem offenen Luftkreislauf. Wenn die mit einem geschlossenen Kreislauf arbeitenden Klimaanlagen in einer verseuchten Umge­ bung verwendet werden sollen, kann es erforderlich sein, den die Wärme ableitenden Wärmetauscher an einer Stelle anzuordnen, die von der Turbinen-/Verdichtereinheit der Klimaanlage ent­ fernt ist. Eine derartige entfernte Anordnung des die Wärme ab­ leitenden Wärmetauschers würde lange Wege für die Luftleitung zwischen dem Verdichter und dem die Wärme ableitenden Wärme­ tauscher erforderlich machen, wodurch das gesamte, von der Klima­ anlage eingenommene Volumen beträchtlich zunehmen und ein hoher Druckverlust in dem durch die langen Leitungen fließenden Luft­ strom entstehen würden. Darüber hinaus ziehen diese Klimaanlagen eine Nutzung aus der Verwendung eines regenerativen Wärme­ tausches zwischen der vom Arbeitskörper kommenden Luft und der zum Turbineneinlaß fließenden Luft, was bei einer Anlage mit einem entfernt angeordneten, zu kühlenden Arbeitskörper weitere lange Wege für die Luftleitung bedingt und deshalb zu einem er­ höhtem Raumbedarf und einer unzulänglichen Wirkungsweise führt. Ein erhöhter Raumbedarf und eine unzulängliche Wirkungsweise können je nach dem Anwendungsfall unerträglich sein.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Klimaanlage mit Luftumwälzung zu schaffen, die eine stark ge­ drängte Bauform und einen verbesserten Wirkungsgrad hat und minimale Wege für die Luftleitung und minimale Wege für den Wärmetausch von Luft zu Luft aufweist. Diese Aufgabe wird durch eine Klimaanlage mit den Merk­ malen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen der Klimaanlage mit Luftumwälzung sind in den Unter­ ansprüchen beschrieben.

Verfahren zum Betreiben einer solchen Klimaanlage weisen die Merkmale der Patentansprüche 7 und 8 auf.

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

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

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

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

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ersten Abwandlungs­ form einer Klimaanlage mit Luftumwälzung und

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

Es wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen. Eine mit Luftumwälzung arbeitende Klimaanlage 10 wird von einer Gasturbinenanlage 15 gespeist und angetrieben. Die Klimaanlage 10 sorgt für eine Küh­ lung eines Verbrauchers oder Arbeitskörpers 20. Die Gasturbinen­ anlage 15 weist einen Verdichter 22 auf, der von einer Turbine 25 angetrieben wird. Die Rotoren der Turbine 25 und des Verdich­ ters 22 sind durch eine Welle 30 miteinander verbunden. Die Welle 30 weist ein Kegelrad-Getriebe 35 auf. Wie dies bei Gasturbinen­ anlagen allgemein bekannt ist, wird Luft in den Verdichter 22 ge­ saugt, worauf die angesaugte Luft auf einen erhöhten Druck verdichtet, vom Verdichter 22 am Austrittsende 37 abgegeben und mit Brennstoff in einem Brenner 40 gemischt wird, in welchem das Luft-/Brennstoffgemisch verbrannt wird. Die aus dem Brenner 40 austretenden Verbrennungsprodukte werden der Turbine 25 zugeführt, wodurch die Turbine 25 angetrieben wird, um sowohl den Verdichter 22 anzutreiben, als auch einen brauchbaren Schub durch eine Schubdüse 45 zu erzeugen.

Die Luft aus dem Austrittsende 37 des Verdichters 22 der Gastur­ binenanlage 15 speist die Klima- oder Kälteanlage 10 über eine Leitung 50, die ein Steuerventil 55 aufweist. Die der Klima­ anlage 10 zugeführte Luft hat in der Regel einen Druck im Bereich von 2,11 bis 8,44 kp/cm² (30-120 psi). Die eingespeiste Luft wird von der Leitung 50 über eine Leitung 65 einem geschlosse­ nen Kreislauf der Klimaanlage 10 zugeführt. Die Kühlluft wird über eine Leitung 65 einem Verdichter 75 zugeführt, welcher von der Gasturbinenanlage 15 über das Getriebe 35 und die mit Zahnrädern versehenen Wellen 77 und 79 angetrieben wird. Der Verdichter 75 verdichtet die Kühlluft und gibt sie über eine Leitung 85 an einen regenerativen Wärmetauscher 80 ab, der vor dem Einlaß einer Expansionsturbine 90 auf deren Hochdruck­ seite liegt. Die Luft wird vom regenerativen Wärmetauscher 80 direkt an die Expansionsturbine 90 abgegeben. Der Rotor der Expansionsturbine 90 ist über eine Welle 95 mit dem Rotor des Ver­ dichters 75 verbunden. Die verdichtete Luft treibt beim Durch­ tritt durch die Expansionsturbine 90 den Turbinenrotor und damit die Welle 95 an, wodurch am Rotor des Verdichters 75 Arbeit geleistet und eine Expansion der Luft in der Expansionsturbine 90 erreicht wird, wobei die Luft etwa um 56°C (100 Fahrenheit) gekühlt wird, wenn der Druck um ein Druckverhältnis von 3 : 1 gesenkt wird. Die gekühlte und entspannte Luft tritt aus der Expansionsturbine 90 aus und wird direkt einem Wärmetauscher 100 zugeführt, der auf der Niederdruckseite der Expansionsturbine 90 liegt. Der Wärmetauscher 100 weist einen mit dem Arbeitskörper 20 in Verbin­ dung stehenden Abschnitt 105 und einen regenerativen Abschnitt 110 auf. Die entspannte Kühlluft wird von dem auf der Nieder­ druckseite liegenden Wärmetauscher 100 über die Leitung 65 zum Verdichter 75 zurückgeführt, in welchem die entspannte Luft wieder verdichtet wird. Das Steuerventil 55 wird in Abhängig­ keit von einem Temperaturfühler 110A betätigt, der im Arbeits­ körper 20 angeordnet ist. Dieser Temperaturfühler 110A gibt Signale ab, die der Temperatur des Arbeitskörpers 20 entsprechen. Die Signale des Temperaturfühlers 110A werden über eine Leitung 125 einer Steuer-/Betätigungseinrichtung 120 zugeführt. Eine Steuer-/ Betätigungseinrichtung 130 empfängt von einem Druckfühler 135 über eine Leitung 140 ein Signal, das dem Druck in der Leitung 50 entspricht. Die beiden Steuer-/Betätigungseinrichtungen 120 und 130 stellen das Steuerventil 55 ständig nach, um die gewünschten Temperaturen und Drücke in Abhängigkeit von den von den Temperatur- und Druckfühlern 110A und 135 empfangenen Signalen und in Abhängigkeit von den an die Steuer-/Betätigungseinrichtungen 120 und 130 angelegten Ein­ gangssignalen aufrechtzuerhalten, die den gewünschten Tempera­ turen und Drücken entsprechen.

Die Energie, die der Kälteanlage von der Gasturbinenanlage 15 zu­ geführt wird, und die abgegebene Kühlleistung der Anlage werden vom Steuerventil 55 gesteuert. Bei stabilen Betriebszustän­ den, d. h. wenn die von der Klimaanlage 10 abgegebene Kühlleistung gleich der vom Arbeitskörper 20 angeforderten Leistung ist, wird das Steuerventil 55 von den Steuer-/Betätigungseinrichtungen 120 und 130 in einem im wesentlichen geschlossenen Zustand gehalten. Das Steuerventil 55 wird nur geöffnet, um eventuell Un­ dichtigkeiten und etwaige aus der Klimaanlage 10 entwichene Luft aus­ zugleichen. Die verschiedenen Drücke und Durchflußmengen inner­ halb der Klimaanlage 10 bleiben konstant, wenn die Kühlleistung un­ verändert ist. Wenn der Kältebedarf des Arbeitskörpers 20 zunimmt, wird der Druck der Kühlluft angehoben. Die Steuer-/ Betätigungseinrichtungen 120 und 130 öffnen in diesem Fall das Steuerventil 55 in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Wärme­ fühlers 110A, wodurch der Druck der Kühlluft in der Klimaanlage 10 ansteigt, um die Leistungsfähigkeit und damit die Ausgangs­ leistung zu erhöhen. Für den Fall, daß der Arbeitskörper 20 einen geringeren Kältebedarf hat, schließt die Steuer-/Betätigungs­ einrichtung 120 das Steuerventil 55, wodurch das Entweichen der Luft aus der Klimaanlage 10 aufgrund von normalen Undichtigkeiten mit der Zeit den Druck der Kühlluft in der Klimaanlage 10 herabsetzt, wo­ durch der Strom der Kaltluft und damit die von der Klimaanlage 10 ab­ gegebene Kühlleistung verringert wird. Gleichzeitig wird die vom Verdichter 75 aufgenommene Wellenenergie und die kine­ tische Energie gesenkt, die von der Luft aus dem Austrittsende des Verdichters 22 der Gasturbinenanlage 15 aufgebracht wird. Dies verringert natürlich die Energie, die von der Gasturbinenan­ lage 15 für den Antrieb der Klimaanlage 10 aufzubringen ist. Die Klimaanlage 10 weist ein geschlossenes Umwälzsystem einer Flüs­ sigkeit auf, welches den auf der Hochdruckseite liegenden, regenerativen Wärmetauscher 80, den entfernt angeordneten, die Wärme ableitenden Wärmetauscher 150, den auf der Nieder­ druckseite liegenden Wärmetauscher 100 und den Verbraucher bzw. Arbeitskörper 20 miteinander in Reihe verbindet. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, weist das geschlossene, flüssige Um­ wälzsystem eine Leitung 155 auf, welche den Arbeitskörper 20 mit dem Einlaß des auf der Hochdruckseite liegenden, regenerativen Wärmetauschers 80 verbindet. Das geschlossene, flüssige Umwälz­ system besitzt ferner eine Pumpe 160, die irgendwo im Kreislauf angeordnet ist, um ein flüssiges Kühlmittel, wie Äthylenglykol oder irgendein anderes geeignetes Wärmetransportmittel durch den Kreislauf zu pumpen. Eine Leitung 165 verbindet das Austritts­ ende des regenerativen Wärmetauschers 80 mit dem Einlaß des die Wärme ableitenden Wärmetauschers 150. Der Auslaß des Wärme­ tauschers 150 ist über eine Leitung 170 mit dem Einlaß des regenerativen Abschnitts 110 des auf der Niederdruckseite lie­ genden Wärmetauschers 100 verbunden. Die Austrittsseite des re­ generativen Abschnitts 110 ist über eine Leitung 175 mit dem Einlaß des dem Arbeitskörper 20 zugeordneten Abschnittes 105 des auf der Niederdruckseite liegenden Wärmetauschers verbunden. Der Auslaß des dem Arbeitskörper 20 zugeordneten Abschnittes ist über eine Leitung 180 mit dem Arbeitskörper 20 verbunden. Das flüssige Kühlmittel wird aus dem Arbeitskörper 20 in die Pumpe 160 gesaugt und wiederholt durch das soeben be­ schriebene, geschlossene Umwälzsystem hindurchgeschickt.

Wenn das flüssige Kühlmittel in Richtung der Pfeile umläuft, nimmt das Kühlmittel in dem auf der Hochdruckseite liegenden, regene­ rativen Wärmetauscher 80 Wärme auf, worauf das Kühlmittel durch die Leitung 165 fließt und dann mindestens einen Teil der auf­ genommenen Wärme an ein Kühlmittel (in den meisten Fällen Um­ gebungsluft) abgibt, das durch den die Wärme abgebenden Wärme­ tauscher 150 in Richtung des Pfeiles 152 fließt. Das flüssige Kühlmittel fließt dann durch die Leitung 170 zum regenerativen Abschnitt 110 des auf der Niederdruckseite liegenden Wärme­ tauschers 100, wo das flüssige Kühlmittel durch Kaltluft gekühlt wird, die von der Expansionsturbine 90 kommt. Das flüssige Kühl­ mittel wird ferner in dem dem Arbeitskörper 20 zugeordneten Ab­ schnitt 105 des auf der Niederdruckseite liegenden Wärmetauschers 100 gekühlt. Das flüssige Kühlmittel fließt vom Abschnitt 105 des Wärmetauschers 100 durch den Arbeitskörper 20, wo es Wärme aufnimmt. Hierdurch wird die erforderliche Kühlung erzielt. Das flüssige Kühlmittel wird dann mit Hilfe der Pumpe 160 wieder durch das Umwälzsystem hindurchgeschickt. Das geschlossene Umwälzsystem für die Flüssigkeit weist auch eine Zweigleitung 185 auf, welche den Einlaß des dem Arbeitskörper 20 zugeordneten Abschnittes 105 mit dem vom Arbeitskörper 20 kommenden, flüssigen Kühlmittel verbindet. Der von der Pumpe 160 kommende, flüssige Kühlmittelstrom wird daher aufgespalten. Ein Teil des Kühl­ mittelstroms fließt durch den auf der Hochdruckseite liegen­ den regenerativen Wärmetauscher 80 und das vorstehend be­ schriebene, geschlossene Umwälzsystem. Der Rest des flüssigen Kühlmittels wird durch die Zweigleitung 185 mit einer darin angeordneten Düse 190 abgezweigt und dem Einlaß des dem Arbeits­ körper 20 zugeordneten Abschnitts 105 zugeführt. Dieser Teil des Kühlmittelflusses läuft durch den dem Arbeitskörper 20 zugeordneten Abschnitt 105 hindurch und wird dann über die Leitung 180 dem Ar­ beitskörper 20 zugeführt und über die Leitung 155 zur Pumpe 160 zurückgeführt. Wie der Fachmann erkennt, macht es die Zweig­ leitung 185 möglich, daß ein Teil des Flüssigkeitsstroms im geschlossenen Umwälzsystem zwischen dem Arbeitskörper 20 und dem dem Arbeitskörper 20 zugeordneten Abschnitt 105 des auf der Nieder­ druckseite liegenden Wärmetauschers 100 hindurchfließt, ohne daß dieser abgezweigte Teil des Flüssigkeitsstroms durch den auf der Hochdruckseite liegenden, regenerativen Wärmetauscher 80 hin­ durchlaufen und die hiermit verbundene Wärme absorbieren muß. Hierdurch ist ein Teil der Kühlleistung des durch die Zweig­ leitung 185 fließenden Kühlmittels nur für die Kühlung des Arbeits­ körpers 20 reserviert, ohne daß das durch die Zweigleitung 185 fließende Kühlmittel von der warmen Luft aus dem Verdichter 75 in dem auf der Hochdruckseite liegenden regenerativen Wärmetauscher 80 erwärmt wird. Das durch die Zweigleitung 185 fließende Kühl­ mittel wird durch die Größe der Düsenöffnung 190 bestimmt. Die Größe der Düsenöffnung 190 wird in Abhängigkeit von gewissen Faktoren bestimmt, wie beispielsweise die Eigenschaften des Luftstromes durch den Luftkreislauf der Klimaanlage 10, die Kühlmittelströmung durch den Arbeitskörper 20 und die Kühlmittel­ strömung durch den auf der Hochdruckseite liegenden, regenera­ tiven Wärmetauscher 80. Eine maximale Kühlung läßt sich durch fol­ gende Gleichung erreichen:

Hierin bedeuten:
w_Luft und c_{p Luft} die Durchsatzmenge bzw. die spezifische Wärme des Luftstromes, der durch den Hauptkreislauf der Klimaanlage 10 fließt und
w_{regen. Kühlmittel} und c_{p regen. Kühlmittel} die Durchsatzmenge bzw. die spezifische Wärme des flüssigen Kühlmittels, das durch den auf der Hochdruckseite liegenden, regenerativen Wärmetauscher 80 und durch den auf der Niederdruckseite liegenden, regenerativen Wärmetauscher 110 hindurchfließt.

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

Hierin bedeuten:
w_{Arbeitskörper Kühlmittel} und c_{p Arbeitskörper Kühlmittel} die Durchsatzmenge bzw. die spezifische Wärme des flüssigen Kühl­ mittels, das durch den Arbeitskörper 20 hindurchfließt, und
w_{regen. Kühlmittel} und c_{p regen. Kühlmittel} die Durchsatzmenge bzw. die spezifische Wärme des flüssigen Kühlmittels, das durch den auf der Hochdruckseite liegenden, regenerativen Wärmetauscher 80 hindurchfließt.

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

In Fig. 2 ist eine erste Abwandlungsform der Klimaanlage 10 gemäß der Erfindung gezeigt. In den Fig. 1 und 2 werden gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile verwendet. Wie der Fachmann er­ kennt, besteht der einzige Unterschied zwischen den beiden Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2 darin, daß bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ein einziges, flüssiges Umwälz­ system vorhanden ist, während bei der ersten Abwandlungsform gemäß Fig. 2 zwei getrennte und voneinander unabhängige, flüssige Umwälzsysteme verwendet werden. Bei der Abwandlungsform nach Fig. 2 ist das Austrittsende der Pumpe 160 wie bei der Klima­ anlage 10 nach Fig. 1 mit dem auf der Hochdruckseite liegenden, rege­ nerativen Wärmetauscher 80 verbunden, dessen Austrittsende wiederum durch die Leitung 165 mit dem die Wärme ableitenden Wärmetauscher 150 verbunden ist. Das flüssige Kühlmittel tritt aus dem die Wärme ableitenden Wärmetauscher 150 aus und wird über eine Leitung 170 dem Abschnitt 110 des auf der Niederdruckseite liegen­ den, regenerativen Wärmetauschers 100 zugeführt. Das Austritts­ ende des regenerativen Abschnitts 110 ist jedoch nicht mit dem Arbeitskörper 20, sondern über eine Leitung 200 mit der Pumpe 160 verbunden. Das Kühlmittel in diesem äußeren Kreislauf gibt die Wärme, die in dem auf der Hochdruckseite liegenden, regenera­ tiven Wärmetauscher 80 aufgenommen worden ist, an den die Wärme abführenden Wärmetauscher 150 und an den Abschnitt 110 des auf der Niederdruckseite liegenden Wärmetauschers 100 ab. Im Wärmetauscher 150 und im Abschnitt 110 des Wärmetauschers 100 wird die Wärme an die Umgebung bzw. an die aus der Turbine 90 kom­ mende, gekühlte Luft abgegeben, ohne daß der Arbeitskörper 20 ge­ kühlt wird. Die Kühlung des Arbeitskörpers 20 wird ausschließlich vom zweiten bzw. inneren geschlossenen, flüssigen Kreislauf vor­ genommen. Das flüssige Kühlmittel des zweiten Kreislaufs wird nach dem Kühlen des Arbeitskörpers 20 von einer zweiten Pumpe 210 über eine Leitung 220 zurück zu dem mit dem Arbeitskörper 20 in Verbindung stehenden Abschnitt 105 geführt, ohne daß die Wärme der aus dem Verdichter 75 austretenden Luft im regenerativen Wärmetauscher 80 aufgenommen wird. Die Durchflußmengen durch das erste und zweite geschlossene Umwälzsystem können durch die vor­ stehend angegebenen Gleichungen bestimmt werden, in denen die Durchsatzmengen und die spezifischen Wärmen der Luft und des flüssigen Kühlmittels bei ihrem Durchfluß durch die Klimaanlage 10 enthalten sind.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Klimaanlagen 10 haben eine stark gedrängte Bauform, die darauf zurückzuführen ist, daß der gesamte Wärmetausch von Luft zu Luft beseitigt worden ist, und der gesamte Wärmetausch in den Klimaanlagen 10 durch kompaktere Wärmetauscher mit einem Wärmetausch von Luft zu Flüssigkeit erreicht wird. Wenn der Arbeitskörper 20 und der die Wärme abführende Wärmetauscher 150 von der Turbinen-/ Verdichtereinheit des Luftumwälzsystems entfernt angeordnet sind, ist die Verwendung einer Flüssigkeit anstelle von Luft als Wärmeübertragungsmittel zwischen der Turbinen-/Verdichter­ einheit und den Wärmetauschern 80, 110 für die Wärmeabfuhr und den Ar­ beitskörper 20 vorteilhaft. Die Verwendung einer Flüssigkeit an­ stelle von Luft verringert nicht nur die Druckverluste und hat einen gesteigerten Wirkungsgrad zur Folge, sondern verbessert auch die gedrängte Bauform, indem lange Strecken an Luftleitungen gegen Flüssig­ keitsleitungen mit einem wesentlich geringeren Querschnitt aus­ getauscht werden.

In Fig. 3 ist eine zweite Abwandlungsform der Klimaanlage 10 gemäß der Erfindung gezeigt. Bei der Ausführungsform in Fig. 3 wird eine absolute Minimierung der Anlagengröße nicht gefordert. Es ist daher ein Wärmetausch von Luft zu Luft möglich. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird die aus dem Verdichter 75 austretende Luft durch Umgebungsluft in einem die Wärme ab­ führenden Wärmetauscher 225 gekühlt. Das geschlossene Umwälz­ system verbindet daher den Arbeitskörper 20, den auf der Hochdruck­ seite liegenden Wärmetauscher 80 und die beiden Abschnitte 105 und 110 des auf der Niederdruckseite liegenden Wärmetauschers 100 miteinander in Reihe. Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform hat die gleiche Arbeitsweise wie die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungs­ formen mit der Ausnahme, daß in dem die Wärme abführenden Wärme­ tauscher 225 ein Wärmetausch von Luft zu Luft vorgesehen ist. Das Kühlmittel fließt durch den geschlossenen Kreislauf hindurch, nimmt von der aus dem Verdichter 75 austretenden Luft Wärme in dem auf der Hochdruckseite liegenden Wärmetauscher 80 auf, und gibt die Wärme in den beiden Abschnitten 110 und 105 des auf der Niederdruckseite liegenden Wärmetauschers 100 ab, worauf das Kühlmittel durch den Arbeitskörper 20 hindurchfließt, um dem Arbeitskörper 20 Wärme zu entziehen. Die Ausführungsform nach Fig. 3 hat die Vorteile eines hohen Wirkungsgrades und einer gedrängten Bauweise, die anstelle eines mit Luft arbeitenden Wärmetrans­ portsystems mit einem flüssigen Wärmetransportsystem verbunden ist, um Wärme vom Arbeitskörper 20 abzuziehen und einen regenera­ tiven Wärmetausch zu schaffen.

Obgleich beispielsweise die hier gezeigten Klimaanlagen 10 von einer Gasturbinenanlage gespeist und angetrieben werden, sei festgestellt, daß andere Einrichtungen zum Antreiben (Elektromotore) und Speisen der Klimaanlage 10 vorgesehen werden können.

Claims (8)

1. Klimaanlage mit Luftumwälzung, die einen Verdichter (75) zur Verdichtung der zugeführten Luft aufweist, wobei der Ausgang des Verdichters (75) mit dem Eingang einer Expansionsturbine (90) verbunden ist und die Expansionsturbine (90) zur Entspannung und Kühlung der verdichteten Luft und damit zur Kühlung eines Arbeitskörpers (20) dient, wobei zwischen dem Ausgang des Verdichters (75) und dem Eingang der Expansionsturbine (90) ein regenerativer Wärmetauscher (80) zur Kühlung der verdichteten Luft vor der Entspannung in der Turbine (90) angeordnet ist, wobei ein die aus dem erwähnten Wärmetauscher (80) ausströmende Wärme an die Umgebung abgebender Wärmetauscher (150, 225) vorgesehen ist und wobei der Turbinenausgang in Strömungsver­ bindung mit dem Verdichtereingang steht, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher (100) im Luftumlaufsystem auf der Nieder­ druckseite der Turbine (90) angeordnet ist, daß ein geschlossenes Flüssigkeitsumwälzsystem vorgesehen ist, wobei der auf der Hochdruckseite der Turbine (90) angeordnete regenerative Wärmetauscher (80) und der auf der Niederdruckseite der Turbine (90) angeordnete Wärmetauscher (100) Luft-Flüssigkeits-Wärme­ tauscher sind und das Flüssigkeitsumwälzsystem zur Kühlung des Luftstroms Wärme aus dem regenerativen Wärmetauscher (80) entnimmt und in dem auf der Niederdruckseite angeordneten Wärmetauscher (100) abgibt.

2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärme an die Umgebung abgebende Wärmetauscher (150) ein Luft- Flüssigkeits-Wärmetauscher ist, der einen Flüssigkeitsdurchgang aufweist, wobei der Flüssigkeitsdurchgang zwischen dem Flüssig­ keitsausgang des regenerativen Wärmetauschers (80) und dem Flüssigkeitseingang des auf der Niederdruckseite der Turbine (90) befindlichen Wärmetauschers (100) angeordnet ist.

3. Klimaanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitskörper (20) im Flüssigkeitsumwälzsystem angeordnet ist, wobei der Flüssigkeitsausgang des Arbeitskörpers (20) in Flüssigkeitsverbindung mit dem Eingang des Flüssigkeitsdurchgangs des regenerativen Wärmetauschers (80) steht, daß der auf der Niederdruckseite der Turbine (90) liegende Wärmetauscher (100) einen Abschnitt (105) für den Arbeitskörper (20) und einen regenerativen Abschnitt (110) aufweist, wobei der Ausgang des Flüssigkeitsdurchgangs des regenerativen Abschnitts (110) in Flüssigkeitsverbindung mit dem Eingang des Flüssigkeitsdurchgangs des Abschnitts (105) für den Arbeitskörper (20) steht, wobei der Ausgang des Flüssigkeitsdurchgangs des Abschnitts (105) für den Arbeitskörper (20) in Verbindung mit dem Eingang des Arbeits­ körpers (20) steht und eine Zweigleitung (185) vom Ausgang des Arbeitskörpers (20) zum Eingang des Abschnitts (105) für den Arbeitskörper (20) führt und wobei der regenerative Wärmetauscher (80) zur Abfuhr von Wärme an den regenerativen Abschnitt (110) mit diesem in Flüssigkeitsverbindung steht.

4. Klimaanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Düse (190) in der Zweigleitung (185) angeordnet ist.

5. Klimaanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das geschlossene Flüssigkeitsumwälzsystem ein erstes geschlossenes Flüssigkeitsumwälzsystem umfaßt, das die Flüssigkeitsdurchgänge des regenerativen Wärmetauschers (80), des die Wärme an die Umgebung abgebenden Wärmetauschers (150) und des regenerativen Abschnitts (110) des auf der Niederdruckseite der Turbine (90) gelegenen Wärmetauschers (100) enthält, und ein zweites ge­ schlossenes Flüssigkeitsumwälzsystem, das die Flüssigkeitsdurch­ gänge durch den Arbeitskörper (20) und den Abschnitt (105) für den Arbeitskörper (20) des auf der Niederdruckseite der Turbine (90) gelegenen Wärmetauschers (100) enthält.

6. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Wärme an die Umgebung abgebende Wärmetauscher (225) ein Luft-Luft-Wärmetauscher ist, der in der Luftumwälzung zwischen dem Verdichter (75) und der Turbine (90) angeordnet ist.

7. Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage nach einem der Ansprüche 3 oder 5, ge­ kennzeichnet durch folgende Beziehung: Hierin bedeuten
w_Luft die Durchsatzmenge der Luft, welche durch den Luft- Kreislauf der Klimaanlage (10) hindurchfließt;
c_{p Luft} die spezifische Wärme der Luft, welche durch den Luftkreislauf der Klimaanlage (10) fließt;
w_{regen. Kühlmittel} die Durchsatzmenge der Flüssigkeit, welche durch den regenerativen Wärmetauscher (80) hindurch­ fließt; und
c_{p regen. Kühlmittel} die spezifische Wärme der Flüssig­ keit, welche durch den regenerativen Wärmetauscher (80) hin­ durchfließt.

8. Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage nach einem der Ansprüche 3 oder 5, ge­ kennzeichnet durch folgende Beziehung: Hierin bedeuten
w_{Arbeitskörper Kühlmittel} die Durchsatzmenge der Flüssig­ keit, welche durch den Arbeitskörper (20) hindurchfließt;
c_{p Arbeitskörper Kühlmittel} die spezifische Wärme der Flüssigkeit, welche durch den Arbeitskörper (20) fließt;
w_{regen. Kühlmittel} die Durchsatzmenge der Flüssigkeit, welche durch den regenerativen Wärmetauscher (80) hindurch­ fließt; und
c_{p regen. Kühlmittel} die spezifische Wärme der Flüssigkeit, welche durch den regenerativen Wärmetauscher (80) hindurch­ fließt.