DE69615543T2

DE69615543T2 - Kühlungssystem

Info

Publication number: DE69615543T2
Application number: DE69615543T
Authority: DE
Inventors: R. Agahi; Behrooz Ershagi
Original assignee: GE Rotoflow Inc
Current assignee: GE Oil and Gas Operations LLC
Priority date: 1995-04-05
Filing date: 1996-03-13
Publication date: 2002-04-18
Anticipated expiration: 2016-03-14
Also published as: JPH11503223A; EP0817946A4; US5555745A; DE69615543D1; WO1996031744A1; EP0817946B1; EP0817946A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Als handelsübliche Kühlung wurden lange Zeit Absorptions(Rankin-Kreislauf) oder Kompressionssysteme eingesetzt. Beide Systeme erfordern Arbeitsprozeßgas mit spezifischen thermodynamischen Eigenschaften. Chlorfluorkohlenwasserstoff- Fluide, typischerweise basierend auf Freon, wurden viele Jahre verwendet. Jüngste Beweise deuten jedoch darauf hin, daß diese Materialien erheblichen Schaden an der Ozonschicht um die Erde herum bewirken. Neue Kühlmittel wurden entwickelt in der Hoffnung, den Schaden einzudämmen, wenn nicht rückgängig zu machen.
Um eine unwirksame Energieausnutzung war man auch besorgt. Geringer werdende Ressourcen, steigende Bevölkerung, Energiekosten, einschließlich der sozialen Kosten für die Umweltverschmutzung und dergleichen haben einen effizienteren Energieverbrauch gefordert. Kühlsysteme für Klimaanlagen und andere Anwendungen werden als Geräte mit einem erheblichen Energieverbrauch betrachtet. Daher sind effiziente Kühlsysteme von bedeutender. Wichtigkeit.
Rotierende Maschinen, die bekanntermaßen in Kühlsystemen verwendet werden, weisen Verdichter und Turbolader auf. Rotationskolbenverdichter werden typischerweise von Motoren über eine Welle angetrieben, welche eine Verzahnung aufweisen kann.
Turbolader weisen typischerweise einen Turbinenrotor mit radialer Zuströmung auf, der innerhalb eines Gehäuses montiert ist, das einen radialen Einlaß und einen axialen Auslaß hat. Der Turbinenrotor ist drehbar in Lagern über eine an dem Rotor fixierte Welle montiert. Derartige Turbolader können mit einer breiten Vielfalt an verschiedenen Gasströmen für solche Dinge, wie Lufttrennung, Naturgasbearbeitung und Übertragung, Wiedergewinnung von Druckabfall-Energie aus einem Expansionsprozeß, oder thermische Energiewiedergewinnung aus der überschüssigen Wärme von damit verbundenen Prozessen, verwendet werden.
Drei Haupttypen von Lagern, die zum Tragen der Rotorwelle in Turbomaschinen verwendet werden, sind Magnetlager, Ölfilmlager und Gaslager. Magnetlager schaffen unter vielen Bedingungen eine bessere Leistung als die anderen beiden Lager. Magnetlager haben geringe Reibungsverluste, eine gesteuerte Steifigkeit und Dämpfung, und eine moderate Belastungsfähigkeit. Außerdem benötigen im Gegensatz zu Ölfilmlagern Magnetlager keine Schmierung, wodurch Ölleitungen und damit verbundene Bauteile, wie Ventile, Pumpen, Filter, Kühler und dergleichen, mit dem Risiko der Prozeßverunreinigung vermieden werden.
Die US-A-4 730 464 offenbart ein Kühlsystem zum Kühlen eines gesteuerten Raumes mit Luft, aufweisend einen Verdichter, der in Fluidverbindung mit dem gesteuerten Raum gekoppelt ist, einen ersten Wärmetauscher mit einer ersten Seite, die in Fluidverbindung zwischen dem gesteuerten Raum und dem Verdichter gekoppelt ist, und einer zweiten Seite, einen Turbolader mit einem Einlaß und einem Auslaß, wobei der Einlaß in Fluidverbindung mit dem Verdichter gekoppelt ist und der Auslaß in Fluidverbindung mit dem gesteuerten Raum gekoppelt ist, wobei die zweite Seite des ersten Wärmetauschers in Fluidverbindung zwischen dem Verdichter und dem Turbolader gekoppelt ist, und einen Trockner.
Dementsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Kühlkreislauf zu schaffen.
Gemäß der Erfindung wird dies erreicht durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1. Vorteilhafte weitere Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die vorliegende Erfindung ist auf Kühlsysteme gerichtet, die Verdichter und Rotations-Expansionsmechanismen aufweisen, die zusammen als Turbolader bezeichnet werden und Umgebungsfluid, typischerweise Luft, verwenden. Derartige Turbolader sind für die effiziente Expansion von Gasen mit entsprechenden Reduktionen der Temperatur vorgesehen, während gleichzeitig mechanische Arbeit zurückgewonnen wird. Die Systeme wirken auf die Kühlung eines Umgebungsraumes ohne den Einsatz eines separaten Kühlmittels. Wärmeaustausche zwischen niedrigeren und höheren Druckzuständen der Umgebungsfluide können auch berücksichtigt werden, um die Effizienz zu verbessern. Wärmeenergie kann direkt für andere Anwendungen zusätzlich zu der Umwandlung der Wärmeenergie in mechanische Energie genommen werden. Das Konditionieren der Luft aus einem solchen gesteuerten Luftraum vor dem Einführen in einen Verdichter kann weiter die praktische Natur des Systems vergrößern. Dadurch ist ein energieeffizientes System verfügbar.
Die Figur ist ein Schema eines Kühlsystems der vorliegenden Erfindung.
Die Figur zeigt schematisch ein System, das einen Kühlkreislauf mit einem Turbolader verwendet. Ein gesteuerter Luftraum 10 ist der Mittelpunkt des Systems, wobei dieser Luftraum 10 gekühlt werden soll. Der Raum kann verschiedenen Typs sein, z. B. ein Gebäude mit Klimaanlage, ein kalter Speicher, ein Gefrierspeicher, eine Sportarena und dergleichen. Obwohl bei der bevorzugten Ausführungsform Luft als Umgebungsfluid des Raumes vorgesehen ist, können gesteuerte Atmosphären, wie Stickstoff, gleichfalls angewendet werden. Luft wird aus dem gesteuerten Luftraum 10 in einen Rücklauf 12 eingezogen und gekühlte Luft wird dem gesteuerten Luftraum 10 durch die Öffnung 14 hindurch bereitgestellt.
Luft wird durch den Rücklauf 12 hindurch aus dem gesteuerten Luftraum 10 von einem Verdichter 16 abgezogen. Der Verdichter 16 wird von einem Motor 18 angetrieben, der eine Antriebsquelle für das System schafft. Der Verdichter 16 ist durch eine Welle mit der Antriebsquelle 18 mit hoher oder normaler Drehzahl entweder direkt oder über ein Getriebe 20 gekoppelt. Ein Magnetlager 20 ist als bevorzugter Rotationsträger gezeigt.
Der Verdichter 16 ist in Fluidverbindung mit dem gesteuerten Luftraum 10 über einen Wärmetauscher 22 und einen Trockner 24 gekoppelt. Der Wärmetauscher 22 und der Trockner 24 sind von herkömmlicher Gestaltung. Die Luft wird beim Passieren durch die erste Rohrseite des Wärmetauschers hindurch erwärmt und Wasser wird dann durch den Trockner entfernt. Auf diese Weise wird die Luft besser für den Fluß durch die Rotationsausrüstung hindurch konditioniert.
Aus dem Verdichter 16 strömt die verdichtete Luft durch einen anderen Wärmetauscher 26 hindurch. Die Strömung an der ersten Rohrseite von dem Verdichter 16 durch den Wärmetauscher 26 hindurch wird dann der zweiten Hülsenseite des Wärmetauschers 22 zugeführt, wo weiter Wärme an die Rohrseitenströmung aus dem gesteuerten Luftraum übertragen wird. Die zweite Hülsenseite des Wärmetauschers 26 kann die abgelassene Wärme in einem Warmwasserkreislauf 28 verwenden.
Die verdichtete Luft, welche vor der Verdichtung behandelt und dann durch die Wärmetauscher 22 und 26 hindurch abgekühlt wurde, wird durch einen Turbolader 30 expandiert. Der Turbolader 30 kann mit dem Motor 18 über ein Getriebe gekoppelt sein. Ein Magnetlager 32 kann zum Abstützen der Welle verwendet werden. Dadurch wird die Luft effizient dekomprimiert und abgekühlt, wobei mechanische Arbeit aus diesem Vorgang gewonnen wird. Die für das vorliegende System vorgesehenen Turbolader sind konventionell. Sobald expandiert wird, wird die kalte Luft an die Öffnung 14 zum Einführen in den gesteuerten Luftraum 10 zurückgeführt.
Die Magnetlager 20 und 32 können bei einer Rotationsausrüstung mit hoher Drehzahl angewendet werden, um die Sicherung eines effizienten Betriebs weiter zu unterstützen. Druckausgleichssysteme sind auch verfügbar, um die Balastungen auf die Ausrüstung zu reduzieren.

Claims

1. Kühlsystem zum Kühlen eines gesteuerten Luftraumes (10), aufweisend

einen Verdichter (16), der in Fluidverbindung mit dem gesteuerten Luftraum (10) gekoppelt ist;

einen ersten Wärmetauscher (22) mit einer ersten Seite, die in Fluidverbindung zwischen dem gesteuerten Luftraum (10) und dem Verdichter (16) gekoppelt ist, und einer zweiten Seite;

einen Turbolader (30) mit einem Einlaß und einem Auslaß, wobei der Einlaß in Fluidverbindung mit dem Verdichter (16) gekoppelt ist und der Auslaß in Fluidverbindung mit dem gesteuerten Luftraum (10) gekoppelt ist, wobei die zweite Seite des ersten Wärmetauschers (22) in Fluidverbindung zwischen dem Verdichter (16) und dem Turbolader (30) gekoppelt ist; und

einen Trockner (24);

dadurch gekennzeichnet, daß

der Trockner (24) in Fluidverbindung zwischen der ersten Seite des ersten Wärmetauschers (22) und dem Verdichter (16) ist.

2. Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei der Verdichter (16) einen Motor (18) aufweist, wobei der Turbolader (30) mechanisch mit dem Motor (18) gekoppelt ist.

3. Kühlsystem nach Anspruch 2, wobei zumindest einer von beiden, der Verdichter (16) und der Turbolader (30), Magnetlager (20, 32) aufweisen.

4. Kühlsystem nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, ferner aufweisend

einen zweiten Wärmetauscher (26) mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei die erste Seite des zweiten Wärmetauschers (26) in Fluidverbindung zwischen dem Verdichter (16) und der zweiten Seite des ersten Wärmetauschers (22) sind.

5. Kühlsystem nach Anspruch 4, ferner aufweisend

einen Warmwasserkreislauf (28), der die zweite Seite des zweiten Wärmetauschers (26) umfaßt.