SE458715B - Luftkonditioneringssystem av luftcykeltyp - Google Patents

Description

458 715 2 Ehuru luftkonditioneringssystem av luftcykeltyp med öppen slinga har visat sig vara effektiva i vissa tillämpningar medför kravet hos sådana system att kylmedel skall tillföras kontinuerligt från blir olämpliga för motsats till detta åstadkomma kylning kylluft, varför de omgivningen att ifrågavarande system i regel användning i en förorenad omgivning. I kan luftcykelsystem med sluten slinga med en innesluten recirkulerande mängd kan förväntas vara mera effektiva än system med öppen slinga och är lämpligare för användning i en föro- renad omgivning, såsom i fallet med kemisk krigföring. I dessa system med sluten slinga avges såsom har nämnts ovan värmet till omgivningen, vilket sker medelst en värmeväxlare av strålningstyp vid utloppet från systemets kompressor, och när systemen är.anpassade för drift i en förorenad omgivning kan det bli nödvändigt att placera en värmeväxlare av strålningstyp på en plats som är fjärrbelägen i förhållande till systemets turbokompressorenhet. En sådan placering av värmeväxlarens värmestrålare på ett fjärrbeläget ställe kräver i regel långa luftledningssträckor mellan kompressorn och värmeväxlaren av strålningstyp, varvid man erhåller en betydande ökning i den totala volymen som upptas av systemet, varjämte stora tryckfallförluster som sammanhänger med luftströmningen genom dylika ledningssträckor erhålls. Förutom detta kan dylika system dra fördel av att man utnyttjar regenerativ värmeväxling från luft till luft mellan belastningens utmatade kylmedel och turbinens inloppskylmedel, vilket då systemet är anordnat för kylning av en fjärrbelägen belastning ytterligare bidrar till långa luftledningssträckor och således bidrar mera till att systemet blir skrymmande och får låg verkningsgrad. Beroende på tillämpningen kan ett sådant skrymmande och ineffektivt system bli otillåtligt.

Närmare bestämt avser uppfinningen ett luftkonditioneringssystem som inkluderar en luftslinga med en kompressor för komprimering av därtill förd luft, vilken kompressor utför utmatning till en expansionsturbin som expanderar och kyler nämnda kompressorluft för kylning av 458 715 3 en belastning, t ex en flygplanskabin, varvid nämnda system ytterligare inkluderar en regenerativ värmeväxlare för högtryckssidan för att på förhand kyla tryckluften innan den utvidgas i nämnda turbin, jämte en värmeväxlare, som avger värme härrörande från komprimeringen av tryckluft i kompressorn genom strålning till omgivningen. Det nämnda luftkonditio- neringssystemet utmärks av att luftslingan är en sluten luftrecirkulationsslinga med turbinutloppet i fluidumkommunikation med kompressorinloppet, att en värmeväxlare för lågtryckssidan är anbragt i nämnda luftrecirkulationsslinga nedströms från turbinen, och att den regenerativa värmeväxlaren för högtryckssidan och värmeväxlaren för lågtryckssidan utgörs av värmeväxlare från luft till vätska med vätskekanaler anordnade i ett vätskerecirkulationssystem med sluten slinga, varvid vätska som cirkulerar i nämnda vätskereeirkulationssystem med sluten slinga kyler luftkonditioneringssystemets luftströmning genom att absorbera värme från denna i nämnda regenerativa värmeväxlare för högtryckssidan och genom att avlämna nämnda värme till nämnda kylda luft i nämnda värmeväxlare för lågtryckssidan.

Uppfinningen kommer att beskrivas i detalj i det följande under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka fig. 1 är en schematisk representation av en föredragen utföringsform av det enligt föreliggande uppfinning angivna luftkonditionerings- systemet av luftcykeltyp, fig. 2 är en sohematisk representation av en första alternativ utföringsform av luftkonditionerings- systemet av luftcykeltyp och fig. 3 är en schematisk representation av en andra alternativ utföringsform av systemet.

Det i fig. 1 visade luftkonditioneringssystemet av luft- cykeltyp enligt föreliggande uppfinning med den generella be- teckningen 10 både matas och drivs av en gasturbinmotor 15 och möjliggör kylning av en belastning 20. På vanligt sätt innefat- tar gasturbinmotorn 15 en av en turbin 25 driven kompressor 22, varvid rotorerna hos turbinen och kompressorn är sammankopplade 458 715 4 medelst en axel 50 pà vilken ett koniskt kugghjul 35 är monterat.

På allmänt känt sätt sugs luft in i kompressorn där nämnda luft hoppressas under högt tryck, varefter den utmatas från kompres- sorn vid utmatningsavsnittet 37 och blandas med bränsle i brän- naren 40 där blandningen av luft och bränsle förbränns. För- bränningsprodukterna som avges från brännaren 40 leds i kanaler till turbinen 25 och driver därvid denna för att både ge energi till kompressorn och avge användbar dragkraft genom utblàsnings- munstycket 45.

Luft från gasturbinmotorns l5 kompressorutmatningsavsnitt 57 matar luftkonditioneringssystemet 10 genom ledningen 50, i -vilken en styrventil 55 finns. Denna tillförsel av luft i syste- met har vanligen ett tryck inom intervallet från 207 till 827 kfa. Från kanalen 50 leds matarluften till en del av systemet 10 med sluten slinga genom kanalen 65. Kylluften matas i kanalen 65 till kompressorn 75 som drivs av motorn 15 via kugghjulet 55 och kugghjulsaxlarna 77 och 79. Kompressorn 75 hoppressar kyl- luften för avgivning till den regenerativa (högtrycks-)värmeväx- larens 80 turbininlopp genom ledningen 85. Luften avges från den regenerativa värmeväxlaren 80 direkt till expansionsturbinen 90, vars rotor är förbunden med kompressorns 75 rotor medelst axeln 95. Då tryckluften genomlöper turbinen 90 pålägger den ett positivt vridmoment på turbinrotorn (och således pà axeln 95) och utför därvid arbete på denna samt bringar luften att utvidga sig, varvid luften kyls så att man erhåller ett tempera- turfall hos kylmedelsluften av ca. 380 då dettas tryck sänks i ett tryckförhàllande av ca. 3:1. Den kylda och utvidgade luften utblàses från turbinen direkt till en (làgtrycks-)turbinutblås- ningsvärmeväxlare 100 som inkluderar ett belastningsavsnitt 105 och ett regenerativt avsnitt 110. Från lagtrycksvärmeväxlaren 100 àterförs den expanderade eller utvidgade kylluften till kompressorn 75 genom kanalen 65 för att komprimeras pà nytt i denna.

Styrventilen 55 drivs såsom gensvar på temperaturav- kännaren ll2 som är anbragt inom belastningen 20. Denna avkän- nare avger signaler som är indikativa för temperaturen hos be- lastningen 20 till styranordningen/manöverdonet l2O genom led- ningen l25. Styranordningen/manöverdonet 150 mottar en signal 458 715 5 som är indikativ för trycket 1 ledningen 50 från tryckavkän- naren 155 genom ledningen l40. I bada fallen injusterar styr- anordningarna/manöverdonen 120 och 150 kontinuerligt styrven- tilen 55 så att önskade temperaturer och tryck upprätthålls såsom gensvar på signalerna som mottas från de respektive avkännarna 112 och 135 och matar in till styranordningarna/ manöverdonen signaler som är indikativa för önskade temperaturer och tryck.

Ingangseffekten som tillförs till systemet av motorn 15 . och systemets kylutgàng styrs av ventilen 55. I fortvarighets- tillstànd, dvs. då kylningen som åstadkommas av systemet 10 är lika med den kylning som krävs av belastningen,hálls ventilen 55 väsentligen stängd av styranordningarna/manöverdonen l2O och 150, och denna ventil öppnar endast för att övervinna en eventuell läokning av kylluft i systemet. De skilda trycken och strömnings- takterna i systemet förblir konstanta vilket också gäller för den utmatade kylningen. Då kylkraven hos belastningen 20 ökar ökas trycket hos den reglerade_kylluften, varvid styranordningar- na/manöverdonen l2O och 130 öppnar styrventilen 55 såsom gensvar på utgángssignalen från avkännaren 112 och därvid ökar kylmedels- trycket i systemet 10 för att öka detsammas kapacitet och sålunda utmatning. I fallet da mindre kylning erfordras av belastningen stänger styranordningen/manöverdonet 120 styrventilen 55, varvid normal läckning av luft i systemet så småningom minskar kylme- delstrycket i systemet, vilket medför en minskning av kylmedlets luftströmning och således såväl den utmatade kylningen från systemet som axelenergin som absorberas av kompressorn 75 jämte rörelseenergin som absorberas ur gasturbinmotorkompressorns ut- matningsluft. Detta minskar givetvis energin som förbrukas av motorn 55 vid drivning av systemet. Systemet l0 är försett med ett vätskecirkulationssystem med sluten slinga, vilket system seriekopplar den regenerativa högtrycksvärmeväxlaren BO och den fjärrbelägna värmeväxlaren 150 för stràlningsvärme, lågtrycks- värmeväxlaren 100 och belastningen 20. Såsom är áskádliggjort i fig. l innefattar vätskesystemet med sluten slinga ledningen 155 som förbinder belastningen 20 med inloppet till den regenerativa högtrycksvärmeväxlaren 80 och en pump 160 som är anbragt var som helst i slingan för att pumpa vätskeformigt kylmedel, sàsom ety- 458 715 6 , eller något annat lämpligt värmetransportfluidum genom slingsystemet. Ledningen 165 förbinder den regenerativa värmeväxlarens 80 utmatningssida med inloppet till värmeväxlaren 150 med värmestrålning, vilken matar ut genom ledningen 170 till inloppet till det regenerativa avsnittet 110 i Iågtrycksvärme- växlaren 100. Det regenerativa avsnittet 110 matar ut genom led- ningen l75 till inloppet till belastningsavsnittet 105 i låg- _ trycksvärmeväxlaren, och belastningsavsnittet matar ut till be- lastningen 20 genom ledningen 180. Från ledningen 20 sugs det vätskeformiga kylmedlet in i pumpen 160 för upprepad cirkulation kring den sålunda bildade slingan. 8 Då det vätskeformiga kylmedlet cirkulerar i pilarnas riktning under drift kommer kylmedlet att absorbera värme i den regenerativa högtrycksvärmeväxlaren 80 och att strömma genom ledningen 165 samt att avge åtminstone en del av det därvid absorberade värmet till kylmedel (i de flesta fallen omgivnings- luft) som strömmar genom värmeväxlaren 150 med stràlningsvärme i riktningen för pilen 152. Det vätskeformíga kylmedlet ström- mar därpå genom ledningen 170 till det regenerativa avsnittet 110 i lågtrycksvärmeväxlaren 100, där det vätskeformiga kylmed- let kyls av sval luft som utmatas från expansionsturbinen 90.

Det vätskeformiga kylmedlet kyls ytterligare i lågtrycksvärme- växlarens 100 belastningsavsnitt 105, varifrån kylmedlet leds genom belastningen 20, i vilken det absorberar värme och därige- nom åstadkommer den erforderliga kylningen av belastningen. Det vätskeformiga kylmedlet recirkuleras sedan genom denna slinga av pumpen 160. Den slutna vätskecirkulationsslingan är också försedd med en grenledning 185 som förbinder inloppet hos be- lastningsavsnittet 105 med vätskeformigt kylmedel som utmatas från belastningen. Man ser således att strömningen av vätske- formigt kylmedel från pumpen 160 uppdelas och att en del av nämnda strömming förs genom den regenerativa högtrycksvärmeväx- laren 80 och det ovan beskrivna cirkulationssystemet med sluten slinga medan återstoden av det vätskeformiga kylmedlet kanalise- ras genom grenledningen 185 (1 vilken en öppning 190 finns) till inloppet hos belastningsavsnittet 185. Denna del av strömningen passerar genom belastningsavsnittet och utmatas sedan från detta genom ledningen 180 till belastningen 20 samt återförs till pum- lenglykol 458 715 7 pen 160 genom ledningen 155. Sàsom torde stå klart för fackman- nen tillåter grenledningen 185 en del av vätskeströmningen genom systemet med sluten slinga att cirkulera mellan belastningen och belastningsavsnittet i lâgtrycksvärmeväxlaren utan att cirkulera genom den regenerativa högtryoksvärmeväxlaren och den därvid åtföljande absorptionen av värme. Detta medför i praktiken att en del av kylningskapaciteten hos grenledningsströmningen reser- veras enbart för att kyla belastningen utan att grenlednings- strömningen uppvärms av den varma kompressorutmatningsluften 1 den regenerativa högtrycksvärmeväxlaren 80. Det torde vara uppen- bart att kylmedelsströmningen genom grenen 185 bestäms av stor- leken hos öppningen 190. Denna öppnings storlek väljs i enlighet med sådana faktorer som karakteristikorna för luftströmningen genom luftkonditioneringssystemets 10 luftcykeldel, kylmedels- strömningen genom belastningen och kylmedelsströmningen genom den regenerativa högtryoksvärmeväxlaren. Det har fastställts att för maximal kylning gäller följande: “luft °p luft ,_, l o wregen.kylmedel cp regen. kylmedel , där: wluft och cp luft är masströmningstakten resp. det speci- fika värmet hos luftströmningen genom luftkonditioneringssystemets luftcykeldel och wregen_ kylmedel och cp regen_ kylmedel är mass- strömningstakten resp. det specifika värmet hos det vätskeformiga kylmedlet som cirkulerar genom den regenerativa högtrycksvärme- växlaren 80 och den regenerativa lågtrycksvärmeväxlaren 110.

Det har också fastställts att för minsta ingàngseffekt för att driva systemet 10 skall följande samband iakttas: "belastning kylmedel cp belastning kylmedel ^,2 5 -- s wregen. kylmedel cp regen. kylmedel där: wbelastning kylmedel Och cp belastning kylmedel är mass- strömningstakten resp. det specifika värmet för det vätskeformiga kylmedlet som cirkulerar genom belastningen och wregen_ kylmedel och cp regen' kylmedel är masströmningstakten resp. det specifika värmet hos det vätskeformiga kylmedlet som cirkulerar genom den regenerativa högtrycksvärmeväxlaren.

Ur dessa båda uttryck kan strömningen genom grenledningen '458 715 8 185 för maximal kylning och minsta möjliga ingángseffekt till systemet beräknas, varför storleken hos öppningen 190 lätt kan fastställas.

Fig. 2 visar en första alternativ utföringsform av luft- konditioneringssystemet enligt föreliggande uppfinning. I fig. 1 och 2 svarar lika hänvisningsbeteckningar mot lika delar. Såsom torde vara uppenbart för faokmannen är den enda skillnaden mel- lan utföringsformerna enligt fig. l och 2 att i utföringsformen enligt fig. l utnyttjas ett enda vätskecirkulationssystem under det att i den första alternativa utföringsformen utnyttjas två separata och självständiga vätskecirkulationssystem. I den alternativa utföringsformen liksom 1 systemet enligt fig. l sker utmatning från pumpen 160 till den regenerativa högtrycks- värmeväxlaren 80 som i sin tur matar ut genom ledningen 165 till värmeväxlaren 150 för värmestrålning. Från värmeväxlaren för värmestrålning utmatas det vätskeformiga kylmedlet till det regenerativa avsnittet ll0 i lågtryoksvärmeväxlaren 100 genom ledningen 170. I stället för att mata ut till belastningen utmatar emellertid det regenerativa avsnittet 110 genom ledningen 200 tillbaka till pumpen 160, varvid kylmedlet i denna yttre slinga transporterar värme som har absorberats i den regenerativa högtrycksvärmeväxlaren till värmeväxlaren med värmestrålning och den regenerativa lågtrycksvärmeväxlaren där nämnda värme avges till omgivningsluft resp. till kyld turbinutmatningsluft utan att någon belastning kyls. Kylningen av belastningen àstadkommes en- bart av det andra (inre) vätskesystemet med sluten slinga, i vilket, sedan belastningen 20 har kylts, det vätskeformiga kyl- medlet återförs av en andra pump 210 till belastningsavsnittet 105 genom ledningen 220 utan att värmet från den av kompressorn utmatade luften i den regenerativa värmeväxlaren absorberas.

Storleken av strömningarna genom de första och andra slutna slingorna kan fastställas ur de ovannämnda sambanden som inbegri- per flödena och de specifika värmena 1 luft- och vätskeformiga kylmedelsströmningar genom systemet.

Man ser att de i fig. l och 2 visade systemen har ökad kompakthet tack vare att där har eliminerats all värmeväxling från luft till luft genom att all värmeväxling i.systemen utförs av mera kompakta värmeväxlare med värmeöverföring från luft till 458 715 9 vätska. I sådana fall där belastningen och värmeväxlaren med värmestrålning är fjärrbelägna 1 förhållande till turbokompres- sordelen (luftcykeldelen) i systemet medför dessutom det för- hållandet att man utnyttjar en vätska i stället för luft såsom värmetransportmedium mellan turbokompressorn och belastningen och värmeväxlarna med värmestrålning inte endast en minskning 1 strömningstryckfallförlusterna så att man erhåller ökad verk- ningsgrad utan användningen av en vätska ökar också kompaktheten genom att den ersätter långa sträckor av luftledningar med vätske- ledningar som har betydligt mindre strömningsarea.

Fig. 3 åskådliggör en andra alternativ utföringsform av luftkonditioneringssystemet enligt föreliggande uppfinning. I fig. 3, där systemets storlek inte nödvändigtvis behöver reduceras i största möjliga grad, varför värmeväxling från luft till luft (kompressorns utmatningsluft kyls av omgivande luft) i värmeväx- laren225næd värmestràlning kan tillåtas, seriekopplar cirkula- tionssystemet med sluten slinga belastningen med den regenera- tiva högtrycksvärmeväxlaren och belastningen och de regenerativa avsnitten i làgtrycksvärmeväxlaren, vilka också är seriekopplade.

Med undantag av värmeväxlingen från luft till luft i värmeväxla- ren med värmestrålning arbetar utföringsformen som är visad 1 fig. 3 på samma sätt som utföringsformerna som är åskàdliggjorda i rig. l och 2. Kylmedel cirkulerar i hela den slutna slingan och absorberar värme från kompressorns utmatningsluft i den regenerativa högtrycksvärmeväxlaren och avlämnar värmet i belast- ningen och 1 lågtryckvärmeväxlarens regenerativa avsnitt, varef- ter kylmedlet cirkuleras genom belastningen för att avlägsna värme från denna. Utföringsformen enligt fig. 5 utmärks av de fördelar med hög verkningsgrad och stor kompakthet som hör sam- man med ett värmetransportsystem med vätska i stället för tidi- gare kända system med luft för att avlägsna värme från belastningen och för att åstadkomma regenerativ värmeväxling.

Ehuru dessa speciella utföringsformer av föreliggande uppfinning har visats skall det framhållas att skilda modifika- tioner av uppfinningen kommer att framgå för fackmannen ur den här givna beskrivningen. Ehuru exempelvis de visade systemen drivs och matas med luft från en gasturbinmotor torde det exem- pelvis vara uppenbart att alternativa drivmetoder (elektriska

Claims (6)

vv '458 715 10 motorer) och utmatningsmetoder kan utnyttjas inom u ram. Det är avsikten med de efterföljande patentkra sådana modifikationer som faller inom uppfinningens ppfinningens ven att täcka 830118. Pam _ PATENTKRAV Luftkonditioneringssystem som inkluderar en luftslinga med en kompressor (75) för komprimering av därtill förd luft, vilken kompressor (75) utför utmatning till en expansionsturbin (90) som expanderar och kyler nämnda kompressorluft av en belastning (20),

1. för kylning t ex en flygplanskabin, varvid nämnda system ytterligare inkluderar en regenerativ värmeväxlare (80) för högtryckssidan för att på förhand kyla tryckluften innan den utvidgas i nämnda turbin (90), jämte en värmeväxlare (150, 225), som avger värme härrörande från komprimeringen av tryckluft i kompressorn (75) genom strålning till omgivningen, k ä n n e - t e c k n a t därav, att luftslingan är en sluten luftrecirku- lationsslinga med turbinutloppet i fluidumkommunikation mede kompressorinloppet, att en värmeväxlare (100) för lågtryckssidan är anbragt i nämnda luftrecirkulationsslinga nedströms från turbinen (90) , och att den regenerativa värmeväxlaren (80) för högtryckssidan och värmeväxlaren (100) för lågtryckssidan utgörs av värmeväxlare från luft till vätska med vätskekanaler anordnade i ett vätskerecirkulationssystem med sluten slinga, varvid vätska som cirkulerar i nämnda vätskerecirkulationssystem med sluten slinga kyler luftkonditioneringssystemets luftström- ning genom att absorbera värme från denna i n värmeväxlare (80) för högtryckssidan och geno nämnda värme till nämnda kylda luft i nämnda för lågtryckssidan.

2. ämnda regenerativa m att avlämna värmeväxlare (100) Luftkonditioneringssystem enligt krav 1, k ä n n e - t e c k n a t därav, att värmeväxlaren (150) som avger värme genom strålning är en värmeväxlare för omgivningsluft till vätska med en vätskekanal inkopplad mellan den regenerativa värmeväxlarens (80) för högtryckssidan vätskekanalutlopp och värmeväxlarens (100) för lâgtryckssidan vätskekanalinlopp.

3. Luftkpnditioneringssystem enligt krav 2, k ä n n e - t e c k n a t därav, att belastningen (20) är anbragt i vätske- recirkulationssystemet, varvid belastningens utlopp står 1 458 715 11 fluidumförbindelse med inloppet till den regenerativa värme- växlingens (80) för högtryokssidan vätskekanal, att värmeväxla- ren (100) på lågtryekssidan har en belastningsdel (105) för att kyla mediet som skall till belastningen och en regenerativ del (110), varvid utloppet från vätskekanalen hos den regenerativa delen (110) hos värmeväxlaren (100) för lågtryckssidan står i fluidumförbindelse med inloppet till vätskekanalen hos belast- ningsdelen (105) hos värmeväxlaren (100) för lågtryekssidan och utloppet från vätskekanalen hos belastningsdelen (105) hos värmeväxlaren (100) för lågtryckssidan står i förbindelse med belastningen: inlopp, och att en grenledning (185) förlöper fràn belastningens utlopp till inloppet till belastningsdelen (105) hos värmeväxlaren (100) för lågtryckssidan.

4. U. Luftkonditioneringssystem_enligt krav 3, k ä n n e - t e c k n a t därav, att en strypning (190) är anordnad i nämnda grenledning (185).

5. Luftkonditioneringssystem enligt krav 2, k ä n n e - t e c k n a t därav, att vätskerecírkulationsystemet med sluten slinga innefattar en första del med sluten slinga, vari ingår vätskekanalerna hos den regenerativa värmeväxlaren (80) för högtryokssidan, hos värmeväxlaren (150) som avger värme genom strålning, och hos en regenerativ del (110) hos värmeväxlaren (100) för lågtryckssidan, samt en andra del med sluten slinga, vari ingår belastningen (20) och vätskekanalen hos en belastningsdel (105) hos nämnda värmeväxlare för lågtryckssidan.

6. Luftkonditioneringssystem enligt krav 1, k ä n n e - t e c k n a t därav, att värmeväxlaren (225) som avger värme genom strålning är en värmeväxlare från luft till luft anordnad i luftslingan mellan kompressorn (75) och turbinen (90).