DE102011116863A1

DE102011116863A1 - Verfahren zur Sicherung einer Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess und abgesicherte Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess

Info

Publication number: DE102011116863A1
Application number: DE201110116863
Authority: DE
Inventors: Thore Oltersdorf; Stefan Henninger; Lena Schnabel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2013-04-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sicherung einer Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess, welche mit einem Prozessfluid betrieben wird, das mindestens eine umweltgefährliche, giftige und/oder entzündliche Substanz enthält oder daraus besteht. Erfindungsgemäß wird im Fall einer Leckage in der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess ein Adsorptionsmittel mit dem Prozessfluid in Kontakt gebracht und die mindestens eine umweltgefährliche, giftige und/oder entzündliche Substanz durch das Adsorptionsmittel selektiv gebunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sicherung einer Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess, welche mit einem Prozessfluid betrieben wird, das mindestens eine umweltgefährliche, giftige und/oder entzündliche Substanz enthält oder daraus besteht. Erfindungsgemäß wird im Fall einer Leckage in der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess ein Adsorptionsmittel mit dem Prozessfluid in Kontakt gebracht und die mindestens eine umweltgefährliche, giftige und/oder entzündliche Substanz durch das Adsorptionsmittel selektiv gebunden.
Selektive, metallorganische Adsorptionsmittel sind in der Lage selbst chemisch ähnliche Gasgemische voneinander getrennt zu binden d. h. zu adsorbieren. Auf diese Weise wird eine Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess (z. B. eine Wärmepumpe, ein Klimagerät oder ein Kälteaggregat, stationär oder mobil betrieben) in einen betriebssichereren Zustand versetzt. Beispielsweise wird im Fall einer Leckage in einem Kälteaggregat entweichendes Kältemittel zeitnah nach der Emission durch das Adsorptionsmittel kontrolliert gebunden und unschädlich gemacht.
Aus physikalischen Gesichtspunkten ist der Einsatz von Kohlenwasserstoffen in Vorrichtungen für einen thermodynamischen Kreisprozess mit vielen Vorteilen verbunden:

– Die geringe Viskosität ermöglicht konstruktive Minimierung von Vorrichtungen für einen thermodynamischen Kreisprozess, da der Druckverlust stark reduziert ist.
– Die hohe Wärmekapazität führt zu einer tendenziell geringen Verdichteraustrittstemperatur, was den Verdichter schützt und weniger exergetische Verluste durch die anschließende Enthitzung des Prozessfluids vor der Kondensation mit sich bringt.
– Die relativ hohe volumetrische Leistung hält den Massenstrom auf einem niedrigen Niveau bzw. ermöglicht das Erreichen hoher Druck- und damit Temperaturhübe.
– Nicht-halogenierte Kohlenwasserstoffe sind chemisch gesehen einfach herzustellen und kommen zu einem großen Teil auch in der Natur vor.
– Das Klimaschädigungspotenzial ist mit einer 3–20 fachen Wirkung gegenüber Kohlendioxid weitaus geringer als viele der hauptsächlich eingesetzten halogenierten Kohlenwasserstoffe (z. B. Fluorkohlenwasserstoffe).

In Vorrichtungen für einen thermodynamischen Kreisprozess verwendete Kohlenwasserstoffe haben jedoch den Nachteil, dass sie entzündlich, brennbar, giftig und/oder umweltgefährlich (z. B. Ammoniak) sind und deshalb eine Gefahrenquelle darstellen.
Zwar ist die Sicherung von Vorrichtungen für einen thermodynamischen Kreisprozess, die mit Prozessfluid betrieben werden, welches brennbare Substanzen enthalt oder daraus besteht, technisch gesehen einfach. Durch die gefährlichen Auswirkungen einer Entzündung oder sogar Explosion von Luft-Prozessfluid-Gemischen, die bei Leckagen entstehen können, sind die normativen Auflagen aber sehr hoch.
Vor allem wird über die Aufstellung und die Größe des Aufstellraumes definiert, welche Anforderungen an eine solche Vorrichtung gestellt werden, die mit gefährlichem (z. B. mit brennbarem) Prozessfluid betrieben werden soll. Dies ist in Europa vor allem durch die EN 378 geregelt.
Wird ein Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess mit einer umweltgefährlichen Substanz wie einem Treibhausgas betrieben, bestimmen die thermodynamischen Eigenschaften und das Treibhauspotenzial des Treibhausgases wesentlich mit, welchen primärenergetischen Nutzungsgrad die Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess über ihren gesamten Lebenszyklus betrachtet hat. Dies lässt sich auch über den TEWI-Faktor ermitteln.
Sowohl aus thermodynamischen Gesichtspunkten heraus, als auch aus Gründen der geringen Klimaschädlichkeit, sind natürliche Prozessfluide, d. h. solche, welche auch in der Natur vorkommen, für solche Anlagen gut geeignet. Dazu gehören niederkettige Kohlenwasserstoffe (mit C₂-O₅-Ketten) aber auch Ammoniak oder Kohlendioxid. Insbesondere die beiden erstgenannten Gruppen bzw. Verbindungen sind optimal geeignet beide Anforderungen an Vorrichtungen für einen thermodynamischen Kreisprozess wie z. B. Kompressionskreisläufe, Kompressionskälteanlagen oder Wärmepumpen zu erfüllen. Der Nachteil von Kohlenwasserstoffen und Ammoniak besteht in ihrer Brennbarkeit und im Fall von Ammoniak zusätzlich in seiner hohen Gesundheitsschädlichkeit.
Es ist Stand der Technik, dass Vorrichtungen für einen thermodynamischen Kreisprozess (z. B. Kältekreise), welche mit brennbaren, giftigen und/oder umweltgefährlichen Substanzen (z. B. Kohlenwasserstoffen oder Ammoniak) betrieben werden, mechanisch entlüftet, anderweitig gesichert oder im Freien aufgestellt werden müssen.
Für Ammoniak sind neben Entlüftungsanlagen durch die große Polarität und Wasserlöslichkeit dieser Verbindung Absorptionsverfahren und Absorptionsvorrichtungen im Stand der Technik bekannt, die effektiv für die Betriebssicherung und zum Schutz genutzt werden können. Es handelt sich hierbei um Absorptionseinrichtungen mit deren Hilfe auf kostengünstige Weise durch einen direkten Anschluss der Absorptionseinrichtung an einen Maschinenraum die Sicherung von austretendem Kühlmittel (z. B. Ammoniak) gewährleistet wird. Hierbei wird mittels einem Sensor eine Grenzkonzentration erfasst und ein der Absorptionseinrichtung vorgeschalteter Seitenkanalverdichter aktiviert, der eine Durchströmung der Absorptionseinrichtung sicherstellt. Im Fall von Ammoniak als Kühlmittel wird dieser chemisch gebunden indem eine Umwandlung zu einem Ammoniumsalz bei Durchströmung eines synthetischen organischen Ionentauschers stattfindet. Alternativ findet hierbei auch Wasser als Absorptionsmittel Verwendung. Im Stand der Technik sind keine selektiven Adsorptionsprozesse für die Sicherung eines Kältekreises bekannt.
Kohlenwasserstoffe sind sehr unpolare Verbindungen, die bei einer Leckage mithilfe einer Absorptionseinrichtung aus dem Stand der Technik nicht gebunden werden können. Hierzu stehen bislang nur Maßnahmen zur Verfügung, die auf einer mechanischen Entlüftung oder Belüftung basieren.
Die Idee dieser Erfindung geht zurück auf die Kombination von selektiven Adsorptionsverfahren. Seit längerem werden im Stand der Technik Adsorptionsverfahren für die Trennung von Gasen eingesetzt. Die CH000000630813 A beschreibt beispielsweise ein Verfahren, wie die selektive Sorption durchgeführt werden kann, die DE 10 2006 036 355 A1 lehrt ein Verfahren zu Abtrennung von unerwünschten (Spuren-)Gasen und die DE000019509897 A1 offenbart die Rückgewinnung von FCKW oder auch anderen Treibmitteln aus Feststoffen (v. a. Polymerschäumen) beim Recycling.
Es ist aber im Stand der Technik nicht bekannt, dass diese Verfahren auch zur Sicherung von Vorrichtungen für einen thermodynamischen Kreisprozess (z. B. Kältekreisen) verwendet werden können in welchen eine umweltgefährliche, giftige und/oder entzündliche Substanz eingesetzt wird. Beispielhafte Substanzen sind hierbei alle aliphatischen, nicht-aromatischen und sowohl gesättigten wie auch ungesättigten Kohlenwasserstoffe, insbesondere aber R1270 (Propan) und R290 (Propan).
Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung zum Einen ein verbessertes Verfahren zur Sicherung einer mit einer umweltgefährlichen, giftigen und/oder entzündlichen Substanz betriebenen Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess bereitzustellen. Zum Anderen war es Aufgabe eine mit einer umweltgefährlichen, giftigen und/oder entzündlichen Substanz betriebenen Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess mit verbesserter Absicherung zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe ist durch das Verfahren zur Sicherung einer Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess mit den Merkmalen von Anspruch 1 und der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess mit den Merkmalen von Anspruch 13 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf einem Trennverfahren, das auf der selektiven, spezifischen Adsorption einer Substanz (z. B. aus einem Prozessfluid) beruht. Wird eine Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess mit einem Adsorptionsmittel mit einer hohen Selektivität für eine zu umweltgefährliche, giftige und/oder entzündliche Substanz (z. B. R1270) ausgestattet, kann die Substanz aus dem Prozessfluid (z. B. aus einem Gasgemisch der Substanz mit Luft) herausgefiltert werden bzw. vorrangig adsorbiert werden und somit die Konzentration der Substanz im Prozessfluid verringert werden. In dem Fall, dass das Prozessfluid aus der Substanz besteht wird folglich das Prozessfluid gebunden und aus der Umgebung abgereichert. Im Fall eines entzündlichen Prozessfluids kann somit das Erreichen einer kritischen Zündtemperatur verhindert werden. Im Fall eines giftigen und/oder umweltgefährlichen Prozessfluids kann die Freisetzung in die Umwelt verhindert werden.
Erfindungsgemäß bezeichnet eine Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess sowohl links- als auch rechtsgerichtete Kreisprozesse. Linksgerichtete thermodynamische Kreisprozesse sind beispielsweise Kompressionskältekreise bzw. Wärmepumpen. Diese stellen mit Abstand den größten Anteil an Wärmetransformationsmaschinen dar.
In der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess wird ein Prozessfluid verwendet. Das Prozessfluid wird direkt in einem links gerichteten Kreisprozess genutzt für die Erzeugung von Wärme, Kälte oder in einem rechts gerichtetem Kreisprozess für die Erzeugung von Elektrizität.
Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für Prozessfluide, welche umweltgefährliche, giftige und/oder entzündliche Substanzen enthalten oder daraus bestehen. Das Prozessfluid kann folglich außer einer umweltgefährlichen, giftigen und/oder entzündlichen Substanz weitere Substanzen aufweisen. In diesem Fall kann nur die gefährliche Substanz vom AdAdsorptionsmittel gebunden bzw. adsorbiert werden und die weiteren Substanzen bleiben ungebunden (selektive Separation).
Folglich stellt die Erfindung ein Verfahren bereit zur Sicherung einer Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess, welcher mit einem Prozessfluid betrieben wird, das mindestens eine umweltgefährliche, giftige und/oder entzündliche Substanz enthält oder daraus besteht, wobei im Fall einer Leckage in der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess ein Adsorptionsmittel mit dem Prozessfluid in Kontakt gebracht wird, bevorzugt durch Freigabe der Über- und/oder Durchströmung des Adsorptionsmittels, und die mindestens eine umweltgefährliche, giftige und/oder entzündliche Substanz durch das Adsorptionsmittel selektiv gebunden wird.
Bei der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess kann es sich um einen geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess handeln, bevorzugt einen Kühl- und/oder Heizkreislauf, besonders bevorzugt einen Kompressionskreislauf, einen Kompressionskältekreis, ein Kälteaggregat, ein Klimagerät oder eine Wärmepumpe.
Alternativ kann es sich bei der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess auch um eine Vorrichtung mit einem thermodynamischen Kreisprozess zur Erzeugung elektrischer Energie handeln.
In dem Fall, in dem das Prozessfluid eine umweltgefährliche, giftige und/oder entzündliche Substanz enthält, kann besagte Substanz durch das Adsorptionsmittel selektiv gebunden werden und so vom Prozessfluid separiert werden. In dem Fall in dem das Prozessfluid aus einer umweltgefährlichen, giftigen und/oder entzündlichen Substanz besteht kann das Prozessfluid, bevorzugt quantitativ, gebunden werden.
Die mindestens eine Substanz bzw. das Prozessfluid kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Ammoniak, Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffen, bevorzugt C₂-C₈-kettige, aliphatische und nichtaromatische Kohlenwasserstoffe, besonders bevorzugt Propan und/oder Propen. Prinzipiell ist jede umweltgefährliche, giftige und/oder entzündliche Substanz möglich, welche durch ein Adsorptionsmittel selektiv gebunden werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Adsorptionsmittel nach der Leckage ausgetauscht oder regeneriert durch Zufuhr von Wärme. Dies kann insbesondere durch erhitzte Luft, ein erhitztes Wärmeträgerfluid oder elektrische Erhitzung geschehen. Besonders bevorzugt findet die Regeneration in einer nicht-kontaminierten Umgebung statt. Hierbei kann die Zuführung thermischer Energie durch elektrisches Heizen oder Heizen mit einem inerten Trägergas, bevorzugt Luft und/oder Stickstoff, erfolgen.
Die Regeneration hat den entscheidenden Vorteil, dass sowohl das Adsorptionsmittel wieder in den Ausgangszustand versetzt werden kann als auch kein neues Prozessfluid (bzw. neue Substanz) für den Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess angeschafft werden muss. Durch diesen ökonomischen Vorteil ist der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess bzw. das Verfahren zur Sicherung einer Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess auch aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten interessant.
Das Adsorptionsmittel muss folgende Eigenschaften aufweisen;

– hohe Selektivität und Adsorptionspotential gegenüber der eingesetzten umweltgefährlichen, giftigen und/oder entzündlichen Substanz bzw. dem eingesetzten Prozessfluid.
– Dauerstabilität des Materials hinsichtlich Adsorptionskapazität (die Kapazität muss über die gesamte Dauer des Prozesses aufrechterhalten werden), ebenso hinsichtlich mechanischer Stabilität wie auch Beständigkeit gegenüber anderen Gasen, die in der Atmosphäre vorkommen können, und Feuchtigkeit.

Erfindungsgemäß kann das Adsorptionsmittel ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus

a) Zeolithe, bevorzugt Zeolith A, X und/oder Y, besonders bevorzugt Zeolith 4A, 5A, 13X, Li-X und/oder ZSM-5;
b) Zeolith-artige Materialien, bevorzugt Aluminiumphosphate, Silika-Aluminiumphosphate und/oder Metallaluminiumphosphate, besonders bevorzugt AlPO₄ und/oder AlPO₄-14;
c) Zeolith-Imidazol-Netzwerke (engl. Zeolithic Imidazole Frameworks = ZIF), bevorzugt ZIF-8;
d) Metallorganische Netzwerkverbindungen (MOP, ZMOF) und/oder poröse Koordinationspolymere (PCP), bevorzugt HKUST-1, Mil-53, Mil-101 und/oder Mil-100, besonders bevorzugt Kupfer(II)-Benzol-1,3,5-Tricarboxylat (Cu₃(BTC)₂);
e) mesoporöse Alumino- und/oder Siliziumverbindungen, bevorzugt Silikagele;
f) Aktivkohle, Kohlenstoffmolekularsiebe und/oder Kohlenstoffnanotubes; und/oder
g) Hexacyanometallate.

Für das Adsorptionsmittel Kupfer(II)-Benzol-1,3,5-Tricarboxylat (Cu₃(BTC)₂ (allgemein: CuBTC) wurde bereits der Nachweis erbracht, dass es für die selektive Stofftrennung von Propan und Propen eingesetzt werden kann (Lamia et al., Chemical Engineering Science, Vol. 64(14), pp. 3246–3259; Ferreira et al., Chemical Engineering Journal, Vol. 167(1), pp. 1–12).
Das Adsorptionsmittel kann in Form einer Schüttung, eines Formkörpers, eines Anstrichs, eines Sprühfilms oder einer Beschichtung ausgestaltet sein.
Das Adsorptionsmittel ist selbst meistens nur gering mechanisch belastbar. Für eine mechanische Stabilisierung, aber vor allem auch eine Oberflächenvergrößerung, kann das Adsorptionsmittel auf einer porösen, stark oberflächenvergrößernden Trägerstruktur aufgebracht werden bzw. angeordnet sein.
Die Trägerstruktur ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Mikrostruktur, Lamellenstruktur, Rohrbündel, Rohrregister und Blech. Die beschichteten Strukturen können dann kontinuierlich durch die Luft mit oder ohne Kontamination durchströmt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist eine direkte und kontinuierliche Durchströmung des Adsorptionsmittels als offenes System (ähnlich offener Entfeuchtungssysteme) vorgesehen. Hierbei wird durch Umwälzung der Raumluft ein Luftvolumenstrom über/durch das Adsorptionsmittel als Adsorptionseinheit geleitet und dadurch eine freigewordene umweltgefährliche, giftige und/oder entzündliche Substanz kontinuierlich der Umgebungsluft entzogen. Optional kann der Luftvolumenstrom vor dem Kontakt mit der Adsorptionseinheit durch eine selektive Membran geleitet werden, welche keine größeren Teilchen (z. B. Teilchen größer als die zu adsorbierende Substanz) passieren lässt.
Die Umwälzung der Raumluft kann mit einer Strömungsmaschine erfolgen. Die Strömungsmaschine sollte direkt im Nachlauf eine Vorrichtung aufweisen, die die Strömung des Luftvolumenstroms über-, um- oder durch das Adsorptionsmittel ermöglicht, dadurch dass die Strömung z. B. mittels eines Luftkanals zeit- oder abschnittsweise gerichtet wird.
Die Luftumwälzung kann mit einen Verdampfer in Kontakt stehen, der bei zu hoher Luftfeuchtigkeit durch Taupunktunterschreitung eine Luftentfeuchtung ermöglicht. Um diesen Vorteil zu nutzen sollte das Adsorptionsmittel in diesem Fall hinter dem Verdampfer, also stromabwärts, platziert sein. Durch den Einsatz des Verdampfers lässt sich eine ungewollte Beladung des Adsorptionsfilters mit Wassermolekülen aus der Luft verhindern oder zumindest verringern.
Sollte sich Luftfeuchtigkeit im kontaminierten Luftstrom befinden, kann im Adsorptionsbereich über seriell vorgeschaltete Bindung (z. B. Silicagel) der Feuchtigkeit eine Verbesserung der Abtrennung umweltgefährlichen, giftigen und/oder entzündlichen Substanz bzw. des Prozessfluids erreicht werden.
Ist über die vorgeschaltete Verwendung von Silicagel die Abtrennung von Feuchtigkeit vor der eigentlichen Abtrennung des Arbeitsfluids/Kältemittels nicht sicherzustellen, kann die Verwendung einer Kurzschlussströmungsführung angewandt werden. Diese kann im Havarie-Fall über Luftklappen ausgelöst werden, so dass eine weitere Kontamination des klimatisierten Bereichs unterbunden wird. Die Vorschaltung von Silicagel kann auch über die Nutzung eines weiteren Adsorptionsbereichs erfolgen.
Bedingt durch die hohen Anforderungen an das Adsorptionsmittel sowie die Struktur an sich ist auch eine diskrete, zeitlich begrenzte Durchströmung denkbar. Hintergrund hierbei ist, dass erst bei Erreichen einer gewissen Konzentration der umweltgefährlichen, giftigen und/oder entzündlichen Substanz ein gefährliches Gemisch entsteht (z. B. durch Erreichen einer bestimmten toxischen und/oder entflammbaren Konzentration). Das Erreichen eines Schwellenwertes, welcher charakteristisch für das gefährliche Gemisch ist, kann mithilfe eines Detektors gemessen werden. Die Konzentrationsschwelle ist hierbei die diskrete stoffspezifische Konzentration der umweltgefährlichen, giftigen und/oder entzündlichen Substanz im Prozessfluid bzw. die Konzentration an Prozessfluid in der Umgebung, bei der eine Überschreitung normgerechter Grenzwerte erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform mit mindestens einem Detektor die Konzentration der mindestens einen Substanz außerhalb des Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess überwacht und bei Überschreiten eines Schwellenwertes das Adsorptionsmittel mit dem Prozessfluid in Kontakt gebracht wird, vorzugsweise durch Freigabe der Über- und/oder Durchströmung des Adsorptionsmittels. In dem Fall, dass das Prozessfluid aus der besagten Substanz besteht kann die Konzentration an Prozessfluid überwacht werden.
Bei dem Detektor kann es sich um einen Druck- und/oder Gassensor handeln, der bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Pellistoren, MOX-Sensoren, NIR-Sensoren, FIR-Sensoren und TDLS-Sensoren.
Ist der Schwellenwert erreicht, wird die „Substanzfalle” aktiviert. Dies kann auf verschiedene Art und Weise ermöglicht werden. Vorzugsweise geschieht die Aktivierung durch Öffnen eines Ventils oder mechanisches Entfernen einer zwischen dem Prozessfluid und dem Adsorptionsmittel angebrachten Trennschicht.
Die Aktivierung kann in einem offenen System geschehen, wobei das Adsorptionsmittel bis zu diesem Zeitpunkt in einer luftdichten Einheit (z. B. in einer Kapsel) verschlossen war. In diesem Fall wird nach Aktivierung der „Substanzfalle” der kontaminierte Luftstrom solange durch die Adsorptionseinheit geführt, bis eine unkritische Konzentration erreicht ist. Dann wird diese Einheit verschlossen und ein Austreten der Substanz aus der Adsorptionseinheit verhindert. Die Menge Adsorptionsmittel kann so dimensioniert sein, dass ein vielfaches der Menge an gefährlicher Substanz bzw. an Prozessfluid aufgenommen werden kann. Der Vorteil dieses Systems ist die geringere Belastung und notwendige Durchströmung des Materials. Ferner wird das System nur im Havarie-Fall aktiv. Ein Nachteil dieses Systems ist, dass eine zusätzliche Überwachung und Einhausung benötigt wird.
Alternativ kann ein geschlossenes System (eine evakuierte Adsorptionseinheit) verwendet werden. Diese wird unter Vakuum gehalten und im Havarie-Fall aktiviert. Die Aktivierung kann hierbei beispielsweise durch ein Magnetventil oder aber passive Mechanismen (z. B. Berstscheibe, o. ä.) erreicht werden. Sobald eine kritische Konzentration der gefährlichen Substanz erreicht ist, wird das Magnetventil geöffnet und die kontaminierte Luft durch das Adsorptionsmittel geführt. Nach Unterschreiten der kritischen Grenze kann das Ventil wiederum geschlossen werden. Gleichzeitig kann die Adsorptionseinheit nicht nur als einzelnes abgeschlossenes Gehäuse in dem vorhandenen Volumen sondern auch als flächiges System ausgeführt werden.
Beispielsweise kann das Adsorptionsmittel im Falle eines Containers in einer Doppelwandung untergebracht werden. Diese Doppelwand kann entweder evakuiert sein, damit wird gleichzeitig eine gute Isolierung des Innenraums erreicht, oder aber Luftdicht abgeschlossen sein, wobei die Aktivierung im Havarie-Fall wie oben beschrieben ermöglicht werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für die Sicherung von Vorrichtungen für einen thermodynamischen Kreisprozess, welche sich in offenen oder geschlossenen Volumina bzw. Räumen befinden.
Besonders geeignet ist es aber das Verfahren zur Sicherung von Vorrichtungen für einen thermodynamischen Kreisprozess, falls sich die Vorrichtungen in einem geschlossenen Volumen bzw. Raum befinden.
Hierbei kann sich entweder der gesamte Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess (d. h. die gesamte Anlage) oder auch nur bestimmte Teile der Anlage, welche eine umweltgefährliche, giftige und/oder entzündliche Substanz enthalten, in einem gasdicht umschlossenen Volumen, bevorzugt in einem geschlossenen Raum, befinden. Das umschlossene Volumen kann Teil eines Gebäudes aber auch eine mobile Einheit wie z. B. ein Container oder ein Fahrzeuginnenraum sein.
Folglich ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere bei einer Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess anwendbar, welche zumindest bereichsweise nach außen evakuiert und/oder hermetisch abgeriegelt ist.
Erfindungsgemäß wird auch eine Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess bereitgestellt, enthaltend ein Adsorptionsmittel und ein Prozessfluid, wobei das Prozessfluid mindestens eine umweltgefährliche, giftige und/oder entzündliche Substanz enthält oder daraus besteht und Adsorptionsmittel und Prozessfluid in einer Weise räumlich getrennt sind, dass sie sich nur im Fall einer Leckage in der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess miteinander in Kontakt treten.
Das Adsorptionsmittel kann hierbei ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus

a) Zeolithe, bevorzugt Zeolith A, X und/oder Y, besonders bevorzugt Zeolith 4A, 5A, 13X, Li-X und/oder ZSM-5;
b) Zeolith-artige Materialien, bevorzugt Aluminiumphosphate, Silika-Aluminiumphosphate und/oder Metallaluminiumphosphate, besonders bevorzugt AlPO₄ und/oder AlPO₄-14;
c) Zeolith-Imidazol-Netzwerke (engl. Zeolithic Imidazole Frameworks = ZIF), bevorzugt ZIF-8;
d) Metallorganische Netzwerkverbindungen (MOF, ZMOF) und/oder poröse Koordinationspolymere (PCP), bevorzugt HKUST-1, Mil-53, Mil-101 und/oder Mil-100, besonders bevorzugt Kupfer(II)-Benzol-1,3,5-Tricarboxylat (Cu₃(BTC)₂);
e) mesoporöse Alumino- und/oder Siliziumverbindungen, bevorzugt Silikagele;
f) Aktivkohle, Kohlenstoffmolekularsiebe und/oder Kohlenstoffnanotubes; und/oder
g) Hexacyanometallate.

Das Adsorptionsmittel kann in Form einer Schüttung eines Formkörpers, eines Anstrichs, eines Sprühfilms oder einer Beschichtung ausgestaltet sein.
Darüberhinaus kann das Adsorptionsmittel zumindest bereichsweise auf einer porösen, stark oberflächenvergrößernden Trägerstruktur, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Mikrostruktur, Lamellenstruktur, Rohrbündel, Rohrregister und Blech, angeordnet sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform enthält der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess mindestens einen Detektor. Besonders bevorzugt kann der Detektor eine umweltgefährliche, giftige und/oder entzündliche Substanz detektieren. Im dem Fall, dass das Prozessfluid aus einer umweltgefährlichen, giftigen und/oder entzündlichen Substanz besteht detektiert der Detektor bevorzugt das Prozessfluid.
Bei dem Detektor kann es sich um einen Druck- und/oder Gassensor handeln, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Pellistoren, MOX-Sensoren, NIR-Sensoren, FIR-Sensoren und TDLS-Sensoren.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform des Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess überwacht der Detektor die Konzentration der mindestens einen umweltgefährlichen, giftigen und/oder entzündlichen Substanz bzw. des Prozessfluids, bevorzugt außerhalb des Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess, und löst bei Überschreiten eines Schwellenwertes das Kontaktieren von Adsorptionsmittel mit dem Prozessfluid aus. Das Auslösen des Kontakts geschieht vorzugsweise durch Öffnen eines Ventils oder mechanisches Entfernen einer zwischen dem Prozessfluid und dem Adsorptionsmittel angebrachten Trennschicht.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform bindet das Adsorptionsmittel die mindestens eine umweltgefährliche, giftige und/oder entzündliche Substanz durch Kontakt selektiv und/oder quantitativ. Hierbei bedeutet die selektive Bindung eine selektive Adsorption der Substanz an das Adsorptionsmittel. Die Adsorption kann durch Einwirken thermischer Energie rückgängig gemacht werden, ist also reversibel. Dies ist vor allem bei der Regeneration der gefährlichen Substanz z. B. nach einem Havarie-Fall von Vorteil. Quantitative Bindung bedeutet, dass das Adsorptionsmittel so dimensioniert sein kann, dass es die gesamte Menge der im Prozessfluid enthaltenen umweltgefährlichen, giftigen und/oder entzündlichen Substanz bzw. die gesamte Menge an Prozessfluid vollständig adsorbieren kann.
Erfindungsgemäß kann sich der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess zumindest bereichsweise in einem gasdicht umschlossenen Volumen, bevorzugt in einem geschlossenen Raum, befinden.
Erfindungsgemäß kann es sich bei der Vorrichtung für einen geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess um eine Vorrichtung für einen geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess handeln, bevorzugt einen Kühl- und/oder Heizkreislauf, besonders bevorzugt einen Kompressionskreislauf, einen Kompressionskältekreis, ein Kälteaggregat, ein Klimagerät oder eine Wärmepumpe.
Alternativ kann es sich bei der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess um eine Vorrichtung für einen Kreisprozess zur Erzeugung elektrischer Energie handeln.
Im Sinne der Erfindung ist unter Adsorptionsbereich der Bereich und/oder die Komponente zu verstehen, welche die Funktion der selektiven Bindung einer umweltgefährlichen, giftigen und/oder entzündlichen Substanz bzw. des Prozessfluids übernimmt.
Ein Adsorptionsbereich ist „extern” falls er außerhalb der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess angeordnet ist. Die Funktion des Adsorptionsbereichs kann hierbei mit direkter Möglichkeit zum Stoffaustausch mit Wärmequelle und/oder Wärmesenke genutzt werden.
Unter einem „internen” Adsorptionsbereich wird ein Adsorptionsbereich verstanden, welcher nur innerhalb des Kreislaufs der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess angeordnet ist.
Im Fall einer Leckage in der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess oder eines sonst wie zu verhindernden Austritts kann die Funktion des Adsorptionsbereichs zur Reduktion einer umweltgefährlichen, giftigen und/oder entzündlichen Substanz im Prozessfluid bzw. des Prozessfluids auf zwei Arten ausgelöst werden:

1. Automatische Messung der Konzentration der zu detektierenden umweltgefährliche, giftige und/oder entzündliche Substanz (bzw. des Prozessfluids) über ein Konzentrationsmessverfahren (z. B. mit einen Detektor), wobei bei Erreichen bzw. Überschreiten einer bestimmten Schwellenkonzentration die Auslösung einer Sicherung veranlasst wird. Je nachdem ob es sich um einen externen oder internen Adsorptionsbereich handelt können dabei Luftklappen oder Sicherheitsventile zum Einsatz kommen.
2. Manuelle Auslösung der Sicherung, wobei auch hier das Erreichen eines bestimmten Schwellenwertes über ein Konzentrationsmessverfahren angezeigt werden kann.

Bei offen durchströmten Wärmesenken bzw. -quellen, die kontaminiert werden können, kann eine Berücksichtigung der möglichen Leckage an Prozessfluid über den Nennvolumenstrom und den Aufbau dieser Senke oder Quelle erfolgen.
Sollte die Konzentrationsschwelle zu jeder Zeit unterschritten werden und ein offenes System vorliegen, bei dem ein Kanaleinbau ausgeschlossen werden kann (freie Aufstellung), ist ein Verzicht auf externe Adsorptionsbereiche möglich. Folglich kann es in diesem Fall ausreichend sein nur interne Adsorptionbereiche zu verwenden.
Je nachdem ob der Adsorptionsbereich innerhalb der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess oder im Bereich einer offenen oder geschlossenen Wärmesenke oder Wärmequelle angeordnet ist, können folgende Möglichkeiten der Strömungsführung unterschieden werden:

(a) Detektion des Austritts der umweltgefährlichen, giftigen und/oder entzündlichen Substanz bzw. des Prozessfluids in offener Wärmesenke oder Wärmequelle: im offenen System wird der Luftstrom nicht rückgeführt/zirkuliert. Dadurch bedingt sollte die Strömungsführung über den Adsorptionsbereich stattfinden.
(b) Detektion des Austritts der umweltgefährlichen, giftigen und/oder entzündlichen Substanz bzw. des Prozessfluids in geschlossener Wärmequelle oder Wärmesenke-Aufenthalt von Personen nicht möglich: im geschlossenen System handelt es sich um eine zirkulierende Strömungsführung. Die Adsorption/Abtrennung von ausgetretener Substanz/Prozessfluid sollte durch eine teilweise und nicht eine komplette Strömung durch den Adsorptionsbereich gewährleistet werden. Diese Umsetzung hat den Vorteil, dass der hohe zu erwartende Druckverlust nicht eine Überdimensionierung des Ventilators zur Folge hat. Voraussetzung ist die Einrichtung einer Kurzschlussströmung, welche die weitere Aufnahme von Feuchtigkeit verhindert. zusätzlich sollte eine Luftentfeuchtung (z. B. mit Silicagel) erfolgen.
(c) Detektion des Austritts der umweltgefährlichen, giftigen und/oder entzündlichen Substanz bzw. des Prozessfluids in geschlossener Wärmequelle oder Wärmesenke-Aufenthalt von Personen möglich bzw. durch Öffnen des Raumes möglich: eine Umsetzung gemäß (a) erscheint notwendig. Erst über die Nutzung von Magnet-/Reed-Kontakten kann eine Öffnung gegenüber Räumen mit Personenauftenthalt ermittelt werden. Es wäre hier möglich, die Vorteile (teilweise Durchströmung zur Minimierung des Druckverlusts bei der Auslegung des Ventilators, der sonst überdimensioniert werden müsste) der Variante (b) nutzbar zu machen.

Ein Wärmeüberträger oder ein Kältespeicher zur Kühlung der Strömung vor Eintritt in den Adsorptionsbereich kann in jeder Ausführungsform anstelle des jeweils anderen Bauteils angewandt werden. Ein Vorteil des Kältespeichers kann dabei die Absicherung des Systems sein, dadurch dass auch nach Stillstand Kälte für eine Kühlung des Prozessfluids bereitstellt und damit eine verbessere Adsorption ermöglicht.
Alternativ zu einer reinen Sicherheitsfunktion kann die Einrichtung eines Adsorptionsbereichs auch die Freisetzung der gefährlichen Substanz bzw. des Prozessfluids bei der Außerbetriebnahme der Vorrichtung verhindern. Bei der Außerbetriebnahme einer Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess können hohe Anteile an umweltgefährlichen, giftigen und/oder entzündlichen Substanzen verloren gehen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess kann hierbei auf einfache Weise eine Freisetzung bei der Außerbetriebnahme verhindern.
Bevorzugt ist die Menge an Adsorptionsmittel, welche in der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess enthalten ist, so dimensioniert, dass die gesamte Menge der im Prozessfluid enthaltenen umweltgefährlichen, giftigen und/oder entzündlichen Substanz adsorbiert werden kann. Folglich kann die gefährliche Substanz nicht an die Umgebung entweichen und dort eine Kontaminierung oder ein brennbares Gemisch erzeugen.
Zusammenfassend weist das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess sowohl für den dauerhaften Nennbetrieb, den Havarie-Fall und die (vorübergehende) Außerbetriebnahme Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf.
Anhand der nachfolgenden Figuren und Beispiele soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier dargestellten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
1 zeigt erfindungsgemäße Adsorptionsbetten, welche eine Trägermatrix mit Adsorptionsmittel enthalten.
2 zeigt zwei offene, luftdichte, klimatisierte Räume mit externem Adsorptionsbereich.
3 zeigt zwei geschlossene, luftdichte, klimatisierte Räume mit externem Adsorptionsbereich.
4 zeigt zwei geschlossene, luftdichte, klimatisierte Räume mit externem und internem Adsorptionsbereich, wobei einer der Räume eine Einrichtung für eine Kurzschlussströmung aufweist.
5 zeigt zwei geschlossene, luftdichte, klimatisierte Räume mit internem Adsorptionsbereich.
1 zeigt Ausführungsbeispiele für ein Adsorptionsbett 1. In 1A ist ein Lamellenwärmeüberträger dargestellt, wobei auf einer lamellenförmigen Trägerstruktur 15 Adsorptionsmittel 14 aufgetragen ist. In dieser Ausgestaltungsform kann Prozessfluid an den Lamellen vorbeigeführt werden. 1B zeigt als Trägerstruktur 15 einen durchströmbaren Block mit Kanalbohrungen, die mit Adsorptionsmittel 14 beschichtet sind und durch welche Prozessfluid strömen kann. Die Bohrungen sind kreisförmig (oder wabenförmig) und können einen Durchmesser von ca. 2 μm aufweisen. 1C illustriert einen evakuierbaren Druckbehälter mit extrudiertem Baukörper als Trägerstruktur 15 in Seitenansicht und isometrischer, nicht eingebauter Ansicht. Der Druckbehälter weist Kanalbohrungen auf, die mit Adsorptionsmittel 14 beschichtet sind und durch welche Prozessfluid strömen kann. Ferner enthält der Druckbehälter einen Anschluss 16 für einen Kältekreis. 1D stellt einen evakuierbaren Druckbehälter für einen internen Kaltekreis dar, wobei der Druckbehälter eine poröse Schichtung als Trägerstruktur 15 und einen Anschluss 16 für einen Kältekreis aufweist. Die poröse Schichtung enthält das Adsorptionsmittel 14. Ferner enthält der Druckbehälter zwei Anschlüsse 17 für die Regeneration von Adsorptionsmittel 14 und optional einen Anschluss 18 zur Evakuierung. 1E zeigt Rohrbündelwärmeüberträger mit einem Rohr als Trägerstruktur 15, wobei an den Innenwänden des Rohres Adsorptionsmittel 14 aufgetragen ist. Der Rohrbündelwärmeüberträger enthält zwei Anschlüsse 16 für einen Kältekreis und zwei Anschlüsse 17 zur Regenerierung von Adsorptionsmittel 14.
2 zeigt die Skizze von jeweils einem kalt klimatisierten (A) oder warm klimatisierten (B) offenen, (luft)-dichten, klimatisierten Raums 5 mit externem Adsorptionsbereich. Der Raum 5 enthält eine Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess 6 mit einem Verdampfer 3 und Verflüssiger 4, wobei der Verdampfer 3 in 2A und der Verflüssiger 4 in 2B offen sind d. h. vom Raum 5 keine räumliche Trennung aufweisen. Innerhalb des Raumes 5 sind zwei Adsorptionsbetten 1A, 1B angeordnet und außerhalb des Raumes sind vier Adsorptionsbetten 1C, 1D, 1E, 1F angeordnet. Die Adsorptionsbetten 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F befinden sich extern von dem Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess 6 und werden passiv durch Luftströmungen 10A, 10B kontaktiert. Ein Detektor 2A ist innerhalb des Raumes 5 angeordnet und steht mit zwei Adsorptionsbett 1A, 1B in Verbindung während ein Detektor 2B außerhalb des Raumes 5 angeordnet ist und mit vier Adsorptionsbetten 1C, 1D, 1E, 1F in Verbindung steht. In dem kalt klimatisierten Raum 5 (A) ist innerhalb der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess 6 ein Verdichter 7 und eine Drossel 8 enthalten. In dem warm klimatisierten Raum 5 (B) enthält die Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess 6 einen Verdichter 7 und ein Expansionsventil 9. Luftströme 10A, 10B sorgen für die Sicherung des Luftwechsels bzw. für die Wärmeabfuhr.
3 zeigt die Skizze von jeweils einem kalt klimatisierten (A) oder warm klimatisierten (B) geschlossenen, (luft)-dichten, klimatisierten Raum mit externem Adsorptionsbereich. Der Raum 5 enthält eine Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess 6 mit einem Verdampfer 3 und Verflüssiger 4, wobei der Verdampfer 3 in 3A und der Verflüssiger 4 in 3B geschlossen sind d. h. nur durch eine Lufteintrittsöffnung 11A und Luftaustrittsöffnung 11B mit dem Raum verbunden sind. Innerhalb des Raumes 5 ist ein Adsorptionsbett 1A angeordnet und außerhalb des Raumes sind vier Adsorptionsbetten 1C, 1D, 1E, 1F angeordnet. Die Adsorptionsbetten 1A, 1C, 1D, 1E, 1F befinden sich extern von der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess 6 und werden passiv durch Luftströme 10A, 10B kontaktiert. Ein Detektor 2A ist innerhalb des Raumes 5 angeordnet und steht mit einem Adsorptionsbett 1A in Verbindung während ein Detektor 2B außerhalb des Raumes 5 angeordnet ist und mit vier Adsorptionsbetten 1C, 1D, 1E, 1F in Verbindung steht. Innerhalb der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess 6 ist ein Verdichter 7 und ein Expansionsventil 9 enthalten. Luftströme 10A, 10B sorgen für die Sicherung des Luftwechsels bzw. für die Wärmeabfuhr. Der Luftstrom 10A innerhalb des Raumes wird durch die Lufteintrittsöffnung 11A und die Luftaustrittsöffnung 11B über den Verdampfer 3 (A) oder über den Verflüssiger 4 (B) des Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess 6 gelenkt.
4 zeigt die Skizze von zwei kalt klimatisierten geschlossenen, (luft)-dichten Raum mit internem und externem Adsorptionsbereich. Jeweils ein Raum 5 enthält einen Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess 6 mit einem Verdampfer 3 und Verflüssiger 4, wobei der Verdampfer 3 geschlossen ist d. h. nur durch eine Lufteintrittsöffnung 11A und Luftaustrittsöffnung 11B mit dem Raum verbunden ist. innerhalb des Raumes 5 ist ein Adsorptionsbett 1A extern der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess 6 und ein Adsorptionsbett 1B intern der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess 6 angeordnet. Außerhalb des Raumes befindet sich kein Adsorptionsbett. Das externe Adsorptionsbett 1A wird passiv und das interne Adsorptionsbett aktiv durch Luftströme 10A, 10B kontaktiert. Ein Detektor 2A ist innerhalb des Raumes 5 angeordnet und steht mit den beiden Adsorptionsbetten 1A, 1B in Verbindung während ein Detektor 2B außerhalb des Raumes 5 angeordnet ist und mit dem internen Adsorptionsbett 1B in Verbindung steht. Ferner ist innerhalb der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess 6 ein Verdichter 7 und ein Expansionsventil 9 enthalten. Luftströme 10A, 10B sorgen für die Sicherung des Luftwechsels bzw. für die Wärmeabfuhr. Der Luftstrom 10A innerhalb des Raumes 5 wird durch die Lufteintrittsöffnung 11A und die Luftaustrittsöffnung 11B über den Verdampfer 3 der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess 6 gelenkt. Stromaufwärts des Verdampfers 3 ist ein Sicherheitsverdampfer 12 vorgesehen, welcher über ein Sicherheitsventil 13 mit dem Expansionsventil 9 in Kontakt steht. Zusätzlich kann an der Lufteintrittsöffnung 11A ein Adsorptionsbett zur Feuchtigkeitsabtrennung 15 vorgesehen sein (A) oder zwischen der Lufteintrittsöffnung 11A und der Luftaustrittsöffnung 11B eine Kurzschlussvorrichtung 14 (B). Die Kurzschlussvorrichtung 14 kann im Havarie-Fall die Luftaustrittsöffnung 11B mit der Lufteintrittsöffnung 11A gasdicht verbinden und damit die Strömung so leiten, dass dass kein Gas in den klimatisierten Raum entweichen kann.
5 zeigt die Skizze von jeweils einem kalt klimatisierten (A) oder warm klimatisierten (B) geschlossenen, (luft)-dichten, klimatisierten Raum mit internem Adsorptionsbereich. Der Raum 5 enthält einen Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess 6 mit einem Verdampfer 3 und Verflüssiger 4, wobei der Verdampfer 3 in 5A und der Verflüssiger 4 in 5B geschlossen sind d. h. nur durch eine Lufteintrittsöffnung 11A und Luftaustrittsöffnung 11B mit dem Raum verbunden sind. Innerhalb (A) bzw. außerhalb (B) des Raumes 5 ist ein Adsorptionsbett 1A angeordnet, welches innerhalb des Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess 6 angeordnet ist. Das Adsorptionsbett 1A wird aktiv durch den Luftstrom 10A innerhalb des Raumes 5 kontaktiert (A) bzw. aktiv durch den Luftstrom 10B außerhalb des Raumes 5 (B), Ein Detektor 2A ist innerhalb des Raumes 5 angeordnet und ein Detektor 2B ist außerhalb des Raumes 5 angeordnet. Beide stehen mit dem Adsorptionsbett 1A in Verbindung. Innerhalb der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess 6 ist ein Verdichter 7 und ein Expansionsventil 9 enthalten. Luftströme 10A, 10B sorgen für die Sicherung des Luftwechsels bzw. für die Wärmeabfuhr. Der Luftstrom 10A innerhalb des Raumes wird durch die Lufteintrittsöffnung 11A und die Luftaustrittsöffnung 11B über den Verdampfer 3 (A) oder über den Verflüssiger 4 (B) der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess 6 gelenkt. Stromaufwärts des Verdampfers 3 (A) bzw. des Verflüssigers 4 (B) ist ein Sicherheitsverdampfer 12 vorgesehen, welcher über ein Sicherheitsventil 13 mit dem Expansionsventil 9 in Kontakt steht.
Beispiele
Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess im Nennbetrieb
Ein häufiges Problem im Dauerbetrieb in Kühlkreisläufen ist die Kondensation von Luftfeuchtigkeit. Diese kann in einer bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung über vorgeschaltete Feuchtigkeitsabtrennung beispielsweise mit Silicagel sicher absorbiert (abgeschieden) und auf eine minimale Konzentration reduziert werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Adsorptionsbereich aufgeheizt werden um ihn von Feuchtigkeit zu befreien (siehe 4A, 4B, 5A und 5B).
Auf einen externen Adsorptionsbereich kann dann verzichtet werden, wenn aufgrund hoher Volumenströme ein Überschreiten der Konzentrationsschwelle unmöglich ist, aber die Abtrennung aufgrund eines zusätzlichen internen Adsorptionsbereichs trotzdem möglich bleibt (siehe 5A und 5B).
Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess im Havarie-Fall
Der Havarie-Fall stellt die Situation dar, in welcher der Schwellenwert der umweltgefährlichen, giftigen und/oder entzündlichen Substanz bzw. der Konzentration an Prozessfluid erreicht oder überschritten wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens führt die Aktivierung des Adsorptionsbereiches im Havarie-Fall zu der Öffnung eines Sicherheitsventils, das den Adsorptionsbereich während des Nennbetriebs von der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess (z. B. ein Kältekreis) oder von dem potenziell kontaminierten Luftaustritt gasdicht abtrennt. Darüberhinaus kann durch Änderung der Position von Luftklappen sichergestellt werden, dass kein Gas von der Vorrichtung (z. B. dem Kältekreis) in den klimatisierten Raum entweichen kann (siehe 4B).
Der interne Adsorptionsbereich ist hierbei nur nutzbar, wenn dieser Gasstrom möglichst kalt und vor allem gasförmig eintritt. Das Sicherheitsventil intern sorgt dann über eine fest eingestellte Drosselung dafür, dass ein niedriges Druckniveau erreicht wird und somit in jedem Fall eine Verdampfung möglich ist und somit ein gasförmiger Stoffstrom in den Adsorptionsbereich gewährleistet werden kann.
Optional kann die dafür notwendige Verdampfung entweder durch einen zusätzlichen Wärmeüberträger als Sicherheitsverdampfer (siehe 4A, 4B, 5A und 5B) oder mit einem PCM-Speicher erfolgen, Unter einem Sicherheitsverdampfer ist hierbei ein Wärmeüberträger zu verstehen, welcher als Bestandteil der Sicherheitskette zur Abtrennung der umweltgefährlichen, giftigen und/oder entzündlichen Substanz bzw. des Prozessfluids im internen Adsorptionsbereich verwendet werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

CH 000000630813 A [0012]
DE 102006036355 A1 [0012]
DE 000019509897 A1 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

EN 378 [0006]
Lamia et al., Chemical Engineering Science, Vol. 64(14), pp. 3246–3259 [0029]
Ferreira et al., Chemical Engineering Journal, Vol. 167(1), pp. 1–12 [0029]

Claims

Verfahren zur Sicherung einer Vorrichtung für einen geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess, welcher mit einem Prozessfluid betrieben wird, das mindestens eine umweltgefährliche, giftige und/oder entzündliche Substanz enthält oder daraus besteht, wobei im Fall einer Leckage in der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess ein Adsorptionsmittel (14) mit dem Prozessfluid in Kontakt gebracht wird und die mindestens eine umweltgefährliche, giftige und/oder entzündliche Substanz durch das Adsorptionsmittel (14) selektiv gebunden wird.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Vorrichtung für einen geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess um einen Kühl- und/oder Heizkreislauf, besonders bevorzugt einen Kompressionskreislauf, einen Kompressionskältekreis, ein Kälteaggregat, ein Klimagerät oder eine Wärmepumpe handelt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess um eine Vorrichtung für einen Kreisprozess zur Erzeugung elektrischer Energie handelt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fall, in dem das Prozessfluid eine umweltgefährliche, giftige und/oder entzündliche Substanz enthält oder aus dieser besteht, besagte Substanz durch das Adsorptionsmittel (14) selektiv gebunden und so vom Prozessfluid separiert wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Substanz ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ammoniak, Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffen, bevorzugt C₂-C₈-kettige, aliphatische und nicht-aromatische Kohlenwasserstoffe, besonders bevorzugt Propan und/oder Propen.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorptionsmittel (14) nach der Leckage ausgetauscht oder regeneriert wird durch Zufuhr von Wärme, insbesondere durch erhitzte Luft, ein erhitztes Wärmeträgerfluid oder elektrische Erhitzung, besonders bevorzugt in einer nicht-kontaminierten Umgebung.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorptionsmittel (14) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus a) Zeolithe, bevorzugt Zeolith A, X und/oder Y, besonders bevorzugt Zeolith 4A, 5A, 13X, Li-X und/oder ZSM-5; b) Zeolith-artige Materialien, bevorzugt Aluminiumphosphate, Silika-Aluminiumphosphate und/oder Metallaluminiumphosphate, besonders bevorzugt AlPO₄ und/oder AlPO₄-14; c) Zeolith-Imidazol-Netzwerke, bevorzugt ZIF-8; d) Metallorganische Netzwerkverbindungen (MOF, ZMOF) und/oder poröse Koordinationspolymere (PCP), bevorzugt HKUST-1, Mil-53, Mil-101 und/oder Mil-100, besonders bevorzugt Kupfer(II)-Benzol-1,3,5-Tricarboxylat (Cu₃(BTC)₂); e) mesoporöse Alumino- und/oder Siliziumverbindungen, bevorzugt Silikagele; f) Aktivkohle, Kohlenstoffmolekularsiebe und/oder Kohlenstoffnanotubes; und/oder g) Hexacyanometallate.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorptionsmittel (14) in Form einer Schüttung, eines Formkörpers, eines Anstrichs, eines Sprühfilms oder einer Beschichtung ausgestaltet ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorptionsmittel (14) zumindest bereichsweise auf einer Trägerstruktur (15), bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lamellenstruktur, Mikrostruktur, Rohrbündel, Rohrregister und Blech, angeordnet ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens einem Detektor (2) die Konzentration der mindestens einen Substanz außerhalb der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess überwacht wird und bei Überschreiten eines Schwellenwertes das Adsorptionsmittel (14) mit dem Prozessfluid in Kontakt gebracht wird, vorzugsweise durch Freigabe der Über- und/oder Durchströmung des Adsorptionsmittels (14).
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Detektor (2) um einen Druck- und/oder Gassensor handelt, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Pellistoren, MOX-Sensoren, NIR-Sensoren, FIR-Sensoren und TDLS-Sensoren.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess zumindest bereichsweise nach außen evakuiert und/oder hermetisch abgeriegelt ist.
Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess enthaltend ein Adsorptionsmittel (14) und ein Prozessfluid, wobei das Prozessfluid mindestens eine umweltgefährliche, giftige und/oder entzündliche Substanz enthält oder daraus besteht und Adsorptionsmittel (14) und Prozessfluid in einer Weise räumlich getrennt sind, dass sie nur im Fall einer Leckage in der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess miteinander in Kontakt treten.
Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorptionsmittel (14) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus a) Zeolithe, bevorzugt Zeolith A, X und/oder Y, besonders bevorzugt Zeolith 4A, 5A, 13X, Li-X und/oder ZSM-5; b) Zeolith-artige Materialien, bevorzugt Aluminiumphosphate, Silika-Aluminiumphosphate und/oder Metallaluminiumphosphate, besonders bevorzugt AlPO₄ und/oder AlPO₄-14; c) Zeolith-Imidazol-Netzwerke, bevorzugt ZIF-8; d) Metallorganische Netzwerkverbindungen (MOF, ZMOF) und/oder poröse Koordinationspolymere (BCF), bevorzugt HKUST-1, Mil-53, Mil-101 und/oder Nil-100, besonders bevorzugt Kupfer(II)-Benzol-1,3,5-Tricarboxylat (Cu₃(BTC)₂); e) mesoporöse Alumino- und/oder Siliziumverbindungen, bevorzugt Silikagele; f) Aktivkohle, Kohlenstoffmolekularsiebe und/oder Kohlenstoffnanotubes; und/oder g) Hexacyanometallate.
Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess gemäß einem der Ansprüche 13–14, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorptionsmittel (14) in Form einer Schüttung eines Formkörpers, eines Anstrichs, eines Sprühfilms oder einer Beschichtung ausgestaltet ist.
Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess gemäß einem der Ansprüche 13–15, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorptionsmittel (14) zumindest bereichsweise auf einer porösen, stark oberflächenvergrößernden Trägerstruktur (15), bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lamellenstruktur, Mikrostruktur, Rohrbündel, Rohrregister und Blech, angeordnet ist.
Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess gemäß einem der Ansprüche 13–16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess mindestens einen Detektor (2) enthält, insbesondere einen Druck- und/oder Gassensor, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Pellistoren, MOX-Sensoren, NIR-Sensoren, FIR-Sensoren und TDLS-Sensoren.
Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (2) die Konzentration der mindestens einen umweltgefährlichen, giftigen und/oder entzündlichen Substanz außerhalb der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess überwacht und bei Überschreiten eines Schwellenwertes das Kontaktieren von Adsorptionsmittel (14) mit dem Prozessfluid auslöst, vorzugsweise durch Öffnen eines Ventils oder mechanisches Entfernen einer zwischen dem Prozessfluid und dem Adsorptionsmittel (14) angebrachten Trennschicht.
Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess gemäß einem der Ansprüche 13–18, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorptionsmittel (14) so dimensioniert ist, dass es die gesamte Menge der im Prozessfluid enthaltenen umweltgefährlichen, giftigen und/oder entzündlichen Substanz vollständig adsorbieren kann.
Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess gemäß einem der Ansprüche 13–19, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess zumindest bereichsweise in einem gasdicht umschlossenen Volumen, bevorzugt in einem geschlossenen Raum (5), befindet.
Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess gemäß einem der Ansprüche 13–20, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Vorrichtung für einen geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess handelt, bevorzugt einen Kühl- und/oder Heizkreislauf, besonders bevorzugt einen Kompressionskreislauf, einen Kompressionskältekreis, ein Kälteaggregat, ein Klimagerät oder eine Wärmepumpe.
Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess gemäß einem der Ansprüche 13–20, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess um eine Vorrichtung für einen Kreisprozess zur Erzeugung elektrischer Energie handelt.