DE102017126947A1 - Fluid adsorption with inert gas displacement - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur sicheren Durchführung eines linksdrehenden thermodynamischen Clausius-Rankine-Kreisprozesses mittels eines entzündlichen Arbeitsfluids, welches im gasförmigen Zustand unter Atmosphärenbedingungen schwerer als Luft ist und in einem geschlossenen, hermetisch dichten Arbeitsfluidumlauf geführt wird, aufweisend mindestens einen Verdichter für Arbeitsfluid, mindestens eine Entspannungseinrichtung für Arbeitsfluid, mindestens zwei Wärmeübertrager für Arbeitsfluid mit jeweils mindestens zwei Anschlüssen für Wärmeüberträgerfluide, ein geschlossenes Gehäuse, welches alle am geschlossenen Arbeitsfluidumlauf angeschlossenen Einrichtungen umfasst, weitere Einrichtungen umfassen kann, und mit einem Adsorbens ausgekleidet ist, welches in der Lage ist, Arbeitsfluid zu adsorbieren, ein Adsorbens eingesetzt wird, welches das Arbeitsfluid und ein Inertgas adsorbieren kann, wobei das Arbeitsfluid eine höhere adsorptive Bindung an das Adsorbens als das Inertgas aufweist, und wobei das Adsorbens, mit dem das Gehäuse ausgekleidet wird, mit dem Inertgas gesättigt vorbeladen ist.The invention relates to a device for safely performing a left-handed thermodynamic Clausius-Rankine cycle process by means of an inflammable working fluid which is heavier than air in the gaseous state under atmospheric conditions and is guided in a closed, hermetically sealed working fluid circulation, comprising at least one compressor for working fluid, at least an expansion device for working fluid, at least two heat exchangers for working fluid, each having at least two connections for heat transfer fluids, a closed housing, which comprises all devices connected to the closed working fluid circuit, may comprise further devices, and is lined with an adsorbent, which is capable of working fluid adsorbing, an adsorbent is used, which can adsorb the working fluid and an inert gas, wherein the working fluid has a higher adsorptive binding to the adsorbent as the inert gas, and wherein the adsorbent, with which the housing is lined, is pre-loaded saturated with the inert gas.
Description
Die Erfindung betrifft irreguläre Zustände in Kältekreisen, in denen ein als Kältemittel wirkendes Arbeitsfluid in einem thermodynamischen Kreisprozess, wie zum Beispiel dem Clausius-Rankine-Kreisprozess, geführt wird. Vorwiegend sind dies Wärmepumpen, Klimaanlagen und Kühlgeräte, wie sie in Wohngebäuden gebräuchlich sind. Unter Wohngebäuden werden dabei Privathäuser, Miethauskomplexe, Krankenhäuser, Hotelanlagen, Gastronomie und kombinierte Wohn- und Geschäftshäuser verstanden, in denen Menschen dauerhaft leben und arbeiten, im Unterschied zu mobilen Vorrichtungen wie KFZ-Klimaanlagen oder Transportboxen, oder auch Industrieanlagen oder medizintechnischen Geräten. Gemeinsam ist diesen Kreisprozessen, dass sie unter Einsatz von Energie Nutzwärme oder Nutzkälte erzeugen und Wärmeverschiebungssysteme bilden.The invention relates to irregular conditions in refrigeration circuits, in which a working fluid acting as a refrigerant is conducted in a thermodynamic cycle, such as the Rankine cycle. These are mainly heat pumps, air conditioners and refrigerators, as they are used in residential buildings. Residential buildings are understood to mean private houses, rental housing complexes, hospitals, hotel complexes, restaurants and combined residential and commercial buildings in which people live and work permanently, in contrast to mobile devices such as car air conditioners or transport boxes, or even industrial equipment or medical devices. What they all have in common is that they use energy to generate useful heat or useful cooling and form heat-transfer systems.
Die zum Einsatz kommenden thermodynamischen Kreisprozesse sind seit langem bekannt, ebenso die Sicherheitsprobleme, die bei der Verwendung geeigneter Arbeitsfluide entstehen können. Abgesehen von Wasser sind die bekanntesten damaligen Arbeitsfluide brennbar und giftig. Sie führten im vergangenen Jahrhundert zur Entwicklung der Sicherheitskältemittel, die aus fluorierten Kohlenwasserstoffen bestanden. Es zeigte sich jedoch, dass diese Sicherheitskältemittel die Ozonschicht schädigen, zur Klimaerwärmung führen, und dass ihre sicherheitstechnische Unbedenklichkeit zu konstruktiven Unachtsamkeiten führte. Bis zu 70 % des Umsatzes entfiel auf den Nachfüllbedarf undichter Anlagen und deren Leckageverluste, der hingenommen wurde, solange dies im Einzelfall als wirtschaftlich vertretbar empfunden wurde und Bedarf an Ersatzbeschaffung förderte.The used thermodynamic cycles have long been known, as well as the safety problems that can arise when using suitable working fluids. Apart from water, the best known working fluids at the time are combustible and poisonous. In the past century, they led to the development of safety refrigerants consisting of fluorinated hydrocarbons. However, it turned out that these safety refrigerants damage the ozone layer, lead to global warming, and that their safety-related harmlessness led to constructive inattentiveness. Up to 70% of the turnover was accounted for by the refill demand of leaking equipment and its leakage losses, which was accepted as long as this was considered economically justifiable in individual cases and promoted the need for replacement procurement.
Der Einsatz dieser Kältemittel wurde aus diesem Grund Restriktionen unterworfen, in der Europäischen Union beispielsweise durch die F-Gas-Verordnung (EU) 517/2014.The use of these refrigerants was therefore subject to restrictions, in the European Union, for example, by the F-Gas Regulation (EU) 517/2014.
Es ist daher einerseits äußerst problematisch, die konstruktiven Prinzipien für Kältemittel-führende thermodynamische Prozesse zu übernehmen, die sich bei Sicherheitskältemitteln scheinbar gut bewährt haben, andererseits auf die Anlagenkonzepte aus der Zeit vor Einführung der Sicherheitskältemittel aufzusetzen. Dies liegt auch daran, dass inzwischen aus Einzelgeräten komplexe Anlagen geworden sind, was die Anzahl der Möglichkeiten für Störungen und deren Folgen vervielfältigt hat. Hierdurch ergeben sich beispielhaft die folgenden Anforderungen an das Sicherheitskonzept:
- - Im Normalbetrieb muss die Anlage absolut dicht sein.
- - Weder bei einer Leckage im Kondensator noch bei einer Leckage im Verflüssiger darf Arbeitsfluid in den gekoppelten Nutzwärme- oder Nutzkältekreislauf gelangen.
- - Es darf kein Arbeitsfluid aus dem Kältekreislauf unbemerkt entweichen können.
- - Im Verdichter darf das Arbeitsfluid nicht durch die Lagerung entweichen.
- - Im Entspannungssystem darf das Arbeitsfluid nicht durch den Ventilsitz diffundieren oder durch Kavitation zu Leckagen führen.
- - Gekapselte Teile müssen für Wartungs- und Kontrollzwecke zugänglich bleiben.
- - In Notfällen dürfen sich keine Gefahren einstellen.
- - Die Anlage soll in vorhandene Räumlichkeiten integrierbar sein
- - Das Kältemittel soll abgelassen und eingefüllt werden können.
- - In normal operation, the system must be absolutely leakproof.
- - Neither in the case of a leakage in the condenser nor in the case of a leak in the condenser may working fluid enter the coupled useful heat or useful refrigeration cycle.
- - No working fluid must escape from the refrigeration cycle unnoticed.
- - In the compressor, the working fluid must not escape through storage.
- - In the expansion system, the working fluid must not diffuse through the valve seat or lead to leaks due to cavitation.
- - Encapsulated parts must remain accessible for maintenance and control purposes.
- - In emergencies, no hazards may occur.
- - The system should be integrable into existing premises
- - The refrigerant should be drained and filled.
Der Begriff des Notfalls muss weit gesehen werden. Denkbar sind Stromausfälle, Erdbeben, Erdrutsche, Überschwemmungen, Brände, technische Fehler und klimatische Extrembedingungen. Sofern die Anlagen in einem Netzwerk betrieben werden, ist auch ein Netzausfall oder eine Netzstörung als Notfall anzusehen. Gegenüber solchen Gefahren oder Störungen soll die Vorrichtung inhärent sicher sein. Aber auch ein Ausfall der verfügbaren Primärenergie kann einen Notfall begründen und darf keine Gefahrentwicklung zur Folge haben. Alle diese Notfälle können auch kombiniert auftreten.The concept of emergency needs to be widely seen. Power failures, earthquakes, landslides, floods, fires, technical faults and climatic extremes are possible. If the systems are operated in a network, a power failure or a network fault must also be regarded as an emergency. The device should be inherently safe against such hazards or interference. But also a failure of the available primary energy can justify an emergency and must not lead to a danger development. All these emergencies can also occur in combination.
Hierbei sind die verschiedenen Bauformen und Anwendungsfälle für derartige thermodynamische Kreisprozesse gesondert zu berücksichtigen, bei ortsfesten Anlagen für Wohngebäude beispielsweise folgende:
- - Haushaltskühlschränke,
- - Haushaltsgefrierschränke,
- - Haushaltstrockner,
- - Haushaltskühl-Gefrierkombinationen,
- - Kühlkammern für Hotel- und Gastronomie,
- - Gefrierkammern für Hotel- und Gastronomie,
- - Klimaanlage für Haus, Hotel- und Gastronomie,
- - Warmwassererzeugung für Haus, Hotel- und Gastronomie,
- - Beheizung für Haus, Hotel- und Gastronomie,
- - Sauna-Schwimmbadanlagen für Haus, Hotel- und Gastronomie,
- - Kombinierte Anlagen für die oben genannten Anwendungen,
- - household refrigerators,
- - Household freezers,
- - household dryer,
- - Household fridge-freezers,
- - cooling chambers for hotels and restaurants,
- - freezer rooms for hotels and restaurants,
- - air conditioning for the house, hotel and gastronomy,
- - hot water production for the house, hotel and gastronomy,
- - heating for house, hotel and gastronomy,
- - Sauna swimming pool systems for the home, hotel and gastronomy,
- - Combined equipment for the above applications,
Die Energie für den Betrieb der Anlagen einschließlich der zu verschiebenden Wärmeenergie kann aus verschiedenen Quellen stammen:
- - Erdwärme aus Erdwärmespeichern,
- - Geothermische Wärme,
- - Fernwärme,
- - Elektrische Energie aus allgemeiner Stromversorgung,
- - Elektrische Solarenergie,
- - Solarwärme,
- - Abwärme,
- - Warmwasserspeicher,
- - Eisspeicher,
- - Latentwärmespeicher,
- - Fossile Energieträger wie Erdgas, Erdöl, Kohle,
- - Nachwachsende Rohstoffe wie Holz, Pellets, Biogas,
- - Kombinationen aus den oben genannten Energiequellen,
- - geothermal energy from geothermal energy storage,
- - geothermal heat,
- - district heating,
- - electrical energy from general electricity supply,
- - electric solar energy,
- - solar heat,
- - waste heat,
- - hot water tank,
- - ice storage,
- - latent heat storage,
- - Fossil fuels such as natural gas, oil, coal,
- - Renewable resources such as wood, pellets, biogas,
- - Combinations of the above energy sources,
Die auftretenden Probleme bei der Sicherheitsauslegung solcher Anlagen werden in der
Propan ist auch schwerer als Luft, sinkt also in ruhender Luft auf den Boden und sammelt sich dort an. Sollte sich also ein Teil des Propans in einer strömungsarmen Zone des abgeschlossenen Raums, in dem sich das gestörte Aggregat befindet, sammeln, können die lokalen Explosionsgrenzen wesentlich schneller erreicht werden, als es der Quotient aus Gesamtraumvolumen zu ausgetretener Propanmenge erwarten lässt. Die
Schon zu Beginn der Technologie der Kompressionskältemaschinen wurde der Versuch unternommen, einen abgeschlossenen Raum zu bilden, in dem die apparativen Ausrüstungen alle sicher untergebracht werden konnten und der diese vollständig umhüllt. Die
Die
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Die
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Die vorgestellten Systeme hatten am Markt bislang nur wenig Erfolg. Dies kann auf die folgenden Gründe zurückgeführt werden:
- - Montagefreundlichkeit: Im Falle von Modernisierungen von alten Heizungsanlagen müssen die neu zu installierenden Vorrichtungen zerlegbar und transportabel sein. Beispielsweise müssen sie über Kellertreppen und in verwinkelte und niedrige Kellerräume verbracht werden können. Zusammenbau, Inbetriebnahme und Wartung müssen ohne großen Aufwand vor Ort möglich sein. Dies schließt große und schwere Druckbehälter weitgehend aus, ferner Systeme, die nach einer Havarie nicht mehr demontierbar sind.
- - Diagnosefreundlichkeit: Die Betriebszustände sollten von außen gut erkennbar sein, dies betrifft die Sichtbarkeit und Prüfbarkeit bezüglich möglicher Leckagen und schließt den Füllstand des Arbeitsfluids sowie den Befüllungsgrad ggf. eingebrachter Sorbentien ein.
- - Wartungsfreundlichkeit: Systemdiagnosen sollten ohne großen zusätzlichen Aufwand erfolgen können. Sicherheitsrelevante Systeme sollten regelmäßig getestet bzw. auf ihre Zuverlässigkeit geprüft werden können. Sofern Systemdiagnosen nicht einfach durchführbar sind, sollten möglicherweise belastete Teile leicht durch Neuteile austauschbar sein.
- - Ausfallsicherheit: Die System sollen einerseits gegen Störungen gesichert sein, gleichzeitig aber zuverlässig laufen können, wenigstens im Notbetrieb. Im Falle einer vorübergehenden externen Störung sollten die Systeme entweder selbstständig wieder anfahren oder ohne großen Aufwand wiederangefahren werden können.
- - Energieeffizienz: Die Anlagen sollen energetisch günstig betrieben werden können, ein hoher Eigenverbrauch an Energie für Sicherheitsmaßnahmen wirkt dem entgegen.
- - Robustheit: Im Falle größerer Störungen, seien sie extern oder systemintern aufgeprägt, muss die Beherrschbarkeit gewährleistet sein, dies betrifft z.B. Lüftungssysteme, die verstopfen können oder Druckbehälter, die unter Druck stehen oder heiß werden, etwa bei einem Brand.
- - Kosten: Die Sicherheitsmaßnahmen sollen weder bei den Anschaffungskosten noch bei den laufenden Kosten bedeutend sein und die Einsparungen bei den Energiekosten gegenüber herkömmlichen Systemen übersteigen. Sie sollen günstig sein.
- - Easy to install: In the case of modernization of old heating systems, the devices to be newly installed must be dismountable and transportable. For example, they must be able to be passed through cellar stairs and into winding and low cellar rooms. Assembly, commissioning and maintenance must be possible on site with little effort. This largely excludes large and heavy pressure vessels, and systems that can not be dismantled after an accident.
- - Diagnostic friendliness: The operating conditions should be easily recognizable from the outside, this concerns the visibility and testability regarding possible leaks and includes the level of the working fluid and the degree of filling of any incorporated sorbents.
- - Serviceability: System diagnostics should be able to be done without much extra effort. Security-relevant systems should be regularly tested or checked for reliability. If system diagnostics are not easy to perform, potentially contaminated parts should be easily interchangeable with new parts.
- - Resilience: The system should be both protected against interference, but at the same time be able to run reliably, at least in emergency mode. In the case of a temporary external fault, the systems should either restart automatically or be restarted without great effort.
- - Energy efficiency: The plants are to be operated at low energy cost, a high self-consumption of energy for security measures counteracts.
- - Robustness: In the case of major faults, external or intrinsic to the system, controllability must be ensured, eg ventilation systems that can clog or pressure vessels that are under pressure or become hot, such as during a fire.
- - Costs: The security measures should not be significant in terms of both initial cost and ongoing costs and should exceed the energy cost savings over traditional systems. They should be cheap.
Die Aufgabe der Erfindung ist daher, eine verbesserte Auskleidevorrichtung bereitzustellen, welche die dargestellten Probleme besser löst und die Nachteile nicht mehr aufweist. The object of the invention is therefore to provide an improved lining device which solves the problems presented better and no longer has the disadvantages.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur sicheren Durchführung eines linksdrehenden thermodynamischen Clausius-Rankine-Kreisprozesses mittels eines entzündlichen Arbeitsfluids, welches im gasförmigen Zustand unter Atmosphärenbedingungen schwerer als Luft ist und in einem geschlossenen, hermetisch dichten Arbeitsfluidumlauf geführt wird, aufweisend
- - mindestens einen Verdichter für Arbeitsfluid,
- - mindestens eine Entspannungseinrichtung für Arbeitsfluid,
- - mindestens zwei Wärmeübertrager für Arbeitsfluid mit jeweils mindestens zwei Anschlüssen für Wärmeüberträgerfluide,
- - ein geschlossenes Gehäuse, welches alle am geschlossenen Arbeitsfluidumlauf angeschlossenen Einrichtungen umfasst, weitere Einrichtungen umfassen kann, und mit einem Adsorbens ausgekleidet ist, welches in der Lage ist, Arbeitsfluid zu adsorbieren,
- - wobei ein Adsorbens eingesetzt wird, welches das Arbeitsfluid und ein Inertgas adsorbieren kann,
- - wobei das Arbeitsfluid eine höhere adsorptive Bindung an das Adsorbens als das Inertgas aufweist,
- - und wobei das Adsorbens, mit dem das Gehäuse ausgekleidet wird, mit dem Inertgas gesättigt vorbeladen ist.
- at least one compressor for working fluid,
- at least one expansion device for working fluid,
- at least two heat exchangers for working fluid, each having at least two connections for heat transfer fluids,
- a closed housing, which comprises all devices connected to the closed working fluid circulation, may comprise further devices, and is lined with an adsorbent which is able to adsorb working fluid,
- wherein an adsorbent is used which can adsorb the working fluid and an inert gas,
- wherein the working fluid has a higher adsorptive binding to the adsorbent than the inert gas,
- - And wherein the adsorbent, with which the housing is lined, is pre-loaded saturated with the inert gas.
Als Wärmeübertragerfluide sind hier alle gasförmigen oder flüssigen Medien zu verstehen, mit denen Wärme übertragen wird, also etwa Luft, Wasser, Sole, Wärmeträgeröle oder dergleichen.As heat transfer fluids are here all gaseous or liquid media to understand, with which heat is transferred, such as air, water, brine, heat transfer oils or the like.
Der Vorteil ist dabei, dass im Falle einer Leckage mit Freisetzung des Arbeitsfluids eine Verdrängung des Inertgases aus dem Adsorbens unter gleichzeitiger Adsorption des Arbeitsfluid stattfindet. Das verdrängte Inertgas inertisiert dabei das Behälterinnere und reduziert damit gleichzeitig die Explosionsgefahr. Außerdem bewirkt die Desorption des verdrängten Inertgases, dass die adsorptive Aufheizung des Adsorbens bei der Adsorption deutlich geringer ausfällt, da nicht mehr die gesamte Adsorptionswärme frei wird, sondern nur noch die Differenz zwischen der Adsorptionswärme des Arbeitsfluids und der Desorptionswärme des Inertgases. Dadurch wird auch verhindert, dass bereits adsorbiertes Arbeitsfluid durch Wärmeentwicklung wieder ausgetrieben wird.The advantage here is that in the case of a leakage with release of the working fluid, a displacement of the inert gas from the adsorbent takes place with simultaneous adsorption of the working fluid. The displaced inert gas thereby inertizes the interior of the container and at the same time reduces the danger of explosion. In addition, the desorption of the displaced inert gas causes the adsorptive heating of the adsorbent during adsorption significantly lower, since no longer the entire heat of adsorption is free, but only the difference between the heat of adsorption of the working fluid and the heat of desorption of the inert gas. This also prevents already adsorbed working fluid is expelled by heat development again.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird als Arbeitsfluid Propan verwendet, als Adsorbens Aktivkohle und als Inertgas Kohlendioxid. Die Aktivkohle kann dabei in bekannter Weise derart dotiert werden, dass eine optimale Beladung durch Propan erfolgt, allerdings ist eine Chemisorption hierbei zu vermeiden, da dann die gleichzeitig Desorption von Kohlendioxid ausbleibt.In a particular embodiment of the invention, propane is used as the working fluid, activated carbon as the adsorbent and carbon dioxide as the inert gas. The activated carbon can be doped in a known manner such that an optimal loading is carried out by propane, but a chemisorption is to avoid this, since then the same desorption of carbon dioxide fails.
Apparativ wird eine solche Auskleidung vorzugsweise durch formstabile Matten oder Formkörper vorgenommen, die das Adsorbens enthalten und die auf einfache Weise nach Öffnen des Gehäuses abgenommen und entfernt werden können. Sie sind typischerweise auf der zum Behälterinneren zugewandten Seite durch ein Haltegitter durchlässig für Gas und Flüssigkeit, während die Formstabilität durch eine stabile Rückseitenstruktur gewährleistet wird.Apparently, such a lining is preferably made by dimensionally stable mats or moldings containing the adsorbent and can be easily removed and removed after opening the housing. They are typically permeable to gas and liquid on the side facing the interior of the container by means of a holding grid, while the dimensional stability is ensured by a stable rear-side structure.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, dass diese Matten oder Formkörper auf der dem Gehäuseinneren zugewandten Seite eine ebene Oberfläche aufweisen und an ihrer Oberseite herunterziehbare folienartige Jalousien besitzen, die im Falle einer Demontage wie eine Tüte über die Oberfläche gezogen werden und diese danach für die Demontage und den Abtransport geschlossen halten. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird diese Vorrichtung auch für die Montage verwendet, um zu verhindern, dass das Inertgas vorzeitig aus der Auskleidung fortdiffundiert.In one embodiment of the invention, it is provided that these mats or moldings on the inside facing the housing have a flat surface and on its upper side pull-down foil-like blinds that are pulled in the event of disassembly as a bag over the surface and then for the Disassembly and removal must be kept closed. In a further embodiment of the invention, this device is also used for assembly in order to prevent the inert gas from prematurely diffusing out of the lining.
Auf der Rückseite werden die Matten oder Formkörper in bekannter Weise durch Haken oder Klickverschlüsse fixiert.On the back of the mats or moldings are fixed in a known manner by hooks or click fasteners.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Prinzipskizzen näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 einen Kältekreis mit einer Auskleidung, -
2 ein Ausführungsbeispiel für einen adsorptiven Formkörper mit einer Jalousievorrichtung.
-
1 a cooling circuit with a lining, -
2 an embodiment of an adsorptive molded body with a shutter device.
Der beispielgebende adsorptive Formkörper
Zur Montage und Demontage weist der adsorptive Formkörper eine Jalousievorrichtung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Kältekreiscooling circuit
- 22
- Verdichtercompressor
- 33
- Kondensatorcapacitor
- 44
- Druckreduzierungpressure reduction
- 55
- VerdampferEvaporator
- 66
- Gehäusecasing
- 77
- Wärmequellen-AnschlussHeat source connection
- 88th
- Wärmequellen-VorlaufBrine flow
- 99
- Wärmesenken-VorlaufHeat sinks Lead
- 1010
- Wärmesenken-AnschlussHeat sinks port
- 1111
- Adsorptive AuskleidungAdsorptive lining
- 1212
- adsorptiver Formkörperadsorptive shaped body
- 1313
- AktivkohlematteActivated carbon mat
- 1414
- Rückseite mit KlickverschlussBack with click closure
- 1515
- Haltegitterholding grid
- 1616
- JalousievorrichtungA blind apparatus
- 1717
- Foliefoil
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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