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Die Erfindung betrifft irreguläre Zustände in Arbeitsfluidumlaufen, 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.
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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.
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Der Einsatz dieser Kältemittel wurde aus diesem Grund Restriktionen unterworfen, in der Europäischen Union beispielsweise durch die F-Gas-Verordnung (EU) 517/2014.
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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.
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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.
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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,
wobei diese Aufzählung nicht vollständig ist.
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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,
wobei auch diese Aufzählung nicht vollständig ist.
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Die auftretenden Probleme bei der Sicherheitsauslegung solcher Anlagen werden in der
WO 2015/032905 A1 anschaulich beschrieben. So liegt die untere Zündgrenze von Propan als Arbeitsfluid etwa bei 1,7 Volumenprozent in Luft, was 38 g/m
3 in Luft entspricht. Sofern der Kälteprozess in einem ihn umgebenden, hermetisch abgeschlossenen, ansonsten aber luftgefüllten Raum mit dem Arbeitsfluid Propan durchgeführt wird, stellt sich das Problem der Erkennung einer kritischen, explosiven Situation nach einer Störung, bei der das Arbeitsfluid in diesen hermetisch abgeschlossenen Raum austritt. Elektrische Sensoren zur Erkennung kritischer Konzentrationen sind nur schwierig explosionsgeschützt auszuführen, weswegen gerade die Propan-Erkennung durch die Sensoren selbst das Explosionsrisiko erheblich verschärft, ausgenommen hiervon sind Infrarotsensoren. Propan ist auch giftig, bei Inhalation oberhalb einer Konzentration von ca. 2 g/m
3 stellen sich narkotische Effekte, Kopfschmerzen und Übelkeit ein. Dies betrifft Personen, die ein erkanntes Problem vor Ort lösen sollen, noch bevor Explosionsgefahr entsteht.
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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
WO 2015/032905 A1 sucht dieses Problem zu lösen, indem ein Generator für elektrischen Strom in die Öffnung bzw. deren Verriegelung dieses Raums integriert wird und bei deren Betätigung in einem ersten Schritt die elektrische Energie erzeugt und bereitstellt, mit der der Sensor aktiviert wird, und der im Alarmfall die Verriegelung dann nicht freigibt, sondern eine Lüftung des abgeschlossenen Raums veranlasst, und erst in einem zweiten Schritt eine Entriegelung und Öffnung zulässt.
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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
DE-PS 553 295 beschreibt eine gekapselte Kompressionskältemaschine, bei der der Kältemittelverdichter
1, sein Antriebsmotor
2, Verdampfer
3, Verflüssiger
4 und Regelventil
5 in einer doppelwandigen Kapsel
6 bzw.
7 eingeschlossen sind. Im Zwischenraum der doppelwandigen Kapsel wird ein Unterdruck angelegt und Leckagen, die an den Durchbrüchen für Kühlwasser und Sole auftreten könnten, abgesaugt. Das abgesaugte Arbeitsfluid kann im Anschluss daran ggf. zurückgewonnen werden. Zu bemerken ist dabei, dass sich innerhalb des gekapselten Raums keine Umgebungsluft befindet und aufgrund des Unterdrucks im Doppelmantel auch nicht in den gekapselten Innenraum eindringen kann.
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Die
DE 41 14 529 A1 beschreibt eine Sicherheitseinrichtung für eine mit einem gefährlichen Medium gefüllte kältetechnische Anlage, die aus mindestens einem kompletten Kälteaggregat besteht, das einen Kältemittelkreislauf mit Verdampfer, Verdichter und Verflüssiger, sowie einen Antriebsmotor umfasst. Die Anlage ist gasdicht eingeschlossen, wobei die Umschließung nach dem im Störfall technisch möglichen Höchstdruck ausgelegt ist, und aus der Umschließung die Anschlüsse für den Kälteträger, ein Kühlmittel sowie elektrische Versorgungs-, Überwachungs- und Steuerleitungen druckdicht nach außen geführt sind. Es kann ein Ausgleichsbehälter angeschlossen sein.
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Die
DE 195 25 064 C1 beschreibt eine Kältemaschine mit einem gasdicht ausgebildeten Gehäuse, welches alle kältemittelführenden Komponenten der Maschine aufnimmt, ein das Innere des gasdichten Gehäuses mit einem Auslass verbindender Raum vorgesehen ist, und der Raum mit einem das Kältemittel sorbierenden Stoff gefüllt ist. Die Menge des sorbierenden Stoffes wird dabei so dimensioniert, dass die gesamte Menge an eventuell austretendem Kältemittel aufgenommen und von der Umwelt ferngehalten werden kann. Der mit dem sorbierenden Stoff gefüllte Raum ist zur Umgebung hin offen. Bei Kältemitteln, die schwerer als Luft sind, ist der Raum nach unten hin offen, bei solchen, die leichter sind, ist er nach oben hin offen, so dass ein Fördergebläse nicht erforderlich ist. Das Sorptionsmittel wird in das Gehäuse eingebracht und umschließt die Kältemaschine bzw. die kältemittelführenden Einrichtungen vollständig. Auf seinem Weg nach außen sind Schikanen vorgesehen, die Kurzschlussströmungen verhindern und entweichendes Gas durch das Sorptionsmittel zwingen. Auch eine doppelwandige Ausführungsform, bei der das Sorptionsmittel im Doppelmantel angeordnet ist, ist möglich. Am Ausgang des mit dem sorbierenden Stoffes gefüllten Raumes zur Umgebung hin kann eine Messeinrichtung für Kältemittel vorgesehen werden.
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Die
DE 10 2011 116 863 A1 beschreibt ein Verfahren zur Sicherung einer Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess, welche mit einem Prozessfluid betrieben wird, das mindesten eine umweltgefährliche, giftige und/oder entzündliche Substanz enthält oder daraus besteht. Im Falle einer Leckage in der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess ein Adsorptionsmittel mit dem Prozessfluid, insbesondere Ammoniak, Propan oder Propen, in Kontakt gebracht und die Substanz durch das Adsorptionsmittel selektiv gebunden. Das Adsorptionsmittel wird nach Gebrauch regeneriert. Als Adsorptionsmittel werden Zeolith, auch in Kombination mit Imidazol oder Phosphaten, ferner CuBTC vorgeschlagen, das Adsorptionsmittel kann in Form einer Schüttung, eines Formkörpers, eines Anstrichs, eines Sprühfilms oder einer Beschichtung ausgestattet sein. Die Trägerstruktur des Formkörpers kann aus Mikrostruktur, Lamellenstruktur, Rohrbündel, Rohrregister und Blech bestehen und muss mechanisch stabil sowie stark oberflächenvergrößernd sein. Eine Umwälzung der potenziell kontaminierten Luft erfolgt üblicherweise kontinuierlich, kann aber auch durch einen Sensor initiiert werden, der die Lüftung nach Erreichen eines Schwellenwerts oder bei einem erkannten Havariefall einschaltet. Die Adsorption kann innerhalb oder außerhalb eines geschlossenen Raums durchgeführt werden.
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Die
DE 195 26 980 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reinigung von Luft geschlossener Räume, die eine gasförmige Verunreinigung aufweisen. Nachdem die Verunreinigung von einem Gassensor erkannt wurde, steuert dieser einen Verdichter an, der die Luft durch einen in diesem Raum befindlichen Absorber leitet, wodurch die Verunreinigung absorbiert wird. Die gereinigte Luft verlässt den Absorber in den geschlossenen Raum.
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Die
DE 195 25 064 C1 beschreibt eine Kältemaschine mit einem gasdicht ausgebildeten Gehäuse, welches alle kältemittelführenden Komponenten der Maschine aufnimmt, ein das Innere des gasdichten Gehäuses mit einem Auslass verbindender Raum vorgesehen ist, und der Raum mit einem das Kältemittel sorbierenden Stoff gefüllt ist. Die Menge des sorbierenden Stoffes wird dabei so dimensioniert, dass die gesamte Menge an eventuell austretendem Kältemittel aufgenommen und von der Umwelt ferngehalten werden kann. Der mit dem sorbierenden Stoff gefüllte Raum ist zur Umgebung hin offen. Bei Kältemitteln, die schwerer als Luft sind, ist der Raum nach unten hin offen, bei solchen, die leichter sind, ist er nach oben hin offen, so dass ein Fördergebläse nicht erforderlich ist. Das Sorptionsmittel wird in das Gehäuse eingebracht und umschließt die Kältemaschine bzw. die kältemittelführenden Einrichtungen vollständig. Auf seinem Weg nach außen sind Schikanen vorgesehen, die Kurzschlussströmungen verhindern und entweichendes Gas durch das Sorptionsmittel zwingen. Auch eine doppelwandige Ausführungsform, bei der das Sorptionsmittel im Doppelmantel angeordnet ist, ist möglich. Am Ausgang des mit dem sorbierenden Stoffes gefüllten Raumes zur Umgebung hin kann eine Messeinrichtung für Kältemittel vorgesehen werden.
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Die
EP 1 666 287 beschreibt eine Fahrzeugklimaanlage mit einem Auffangbehälter für das Kältemittel, der über ein extern steuerbares Ventil mit einem Gas-Flüssigkeits-Trenner in Verbindung steht. Mittels einer Druckerfassungsvorrichtung kann das Ventil geschlossen werden, wenn der erfasste Druck gleich einem vorbestimmten Druck wird. Das Signal zum Öffnen des Ventils kann durch eine Leckageerkennung erfolgen.
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Die
EP 2 921 801 A1 beschreibt eine Methode zum Austausch von fluiddurchströmten Teilen einer Klima-Kälteanlage. Hierbei wird ein Behälter angeschlossen, in den das Arbeitsfluid aus dem Kältekreislauf hineinströmen kann, wobei ein Verbindungsteil und eine Druckreduzierung vorgesehen werden. Sobald der größte Teil des Kältekreislaufs in den Behälter geströmt ist, befindet sich nur so wenig entzündliches Arbeitsfluid in den von Arbeitsfluid üblicherweise durchströmten Teilen, dass das schadhafte Teil entfernt und durch ein Ersatzteil ersetzt werden kann, ohne dass bei dieser Arbeit auch bei Wärmezufuhr, z.B. durch Löten, eine Entzündungsgefahr besteht.
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Die
EP 3 115 714 A1 beschreibt die Problematik eines Ablasses des Arbeitsfluids durch eine großlumige Rohrleitung, die am Auslass der Wärmequellenseite des Kondensators angeschlossen ist. Hierbei sammelt sich Arbeitsfluid nicht nur während des Ablassens, sondern auch während des normalen Kühlbetriebs, und dadurch sinkt auch die Kühlleistung. Würde man dem Effekt durch eine größere Menge an Arbeitsfluid entgegensteuern, stiegen die Herstellungskosten und auch die Risiken bei Leckagen. Das Problem wird gelöst durch einen Lagerbehälter, ein erstes Auf/Zu-Ventil in einer Leitung zwischen der Entspannungsventil und der Nutzseite des Wärmetauschers und einen Bypass, der zwischen dem Auf/Zu-Ventil und dem Entspannungsventil abzweigt und mit der Saugseite des Verdichters verbunden ist. Beim Ablassen von Arbeitsfluid in den Behälter wird das erste Auf/Zu-Ventil geschlossen und das Arbeitsfluid strömt von der Wärmequellenseite durch den Bypass in den Lagerbehälter.
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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 Beherschbarkeit 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.
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Im Falle von Leckagen oder Wartungsarbeiten, bei denen der Arbeitsfluidumlauflauf geöffnet oder erhitzt werden muss, ist der Arbeitsfluidumlauf möglichst vollständig zu entleeren oder wenigstens vom entzündlichen Arbeitsfluid so weitgehend zu befreien, dass nie die Gefahr einer Entzündung entstehen kann. Auch sonstige Maßnahmen, wie z.B. Routineprüfungen, können eine Entleerung erfordern. Solche Entleerungen werden derzeit manuell durchgeführt und es wäre wünschenswert, sie auch per Fernwartung durchführen zu können. Wünschenswert angesichts extern verursachter Störungen wie Erdbeben, Bränden oder Überschwemmungen wäre ferner, wenn das entzündliche Arbeitsfluid schnell in Sicherheit gebracht werden könnte, ohne dass ein manuelles Eingreifen vor Ort erforderlich ist.
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Die Aufgabe der Erfindung ist daher, einen verbesserten Sicherheitsbehälter bereitzustellen, der das Arbeitsfluid aus dem Kreisprozess entnehmen kann, eine Rückführung in den Kreisprozess ermöglicht, die dargestellten Probleme besser löst und die Nachteile nicht mehr aufweist.
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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 Enspannungseinrichtung 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,
- - mindestens einen Sicherheitsbehälter zur Aufnahme von Arbeitsfluid
- - mindestens eine Absperrvorrichtung innerhalb des Arbeitsfluidumlaufes,
- - mindestens einen Druckbehälter zur Aufnahme von Inertgas,
- - ein Absperrventil und einen Abzweig aus dem Arbeitsfluidumlauf zum Sicherheitsbehälter,
- - eine absperrbare Zuführleitung vom Inertgasbehälter zum Sicherheitsbehälter,
- - eine Abzugsleitung vom Sicherheitsbehälter mit einem nachfolgenden Gas-Flüssigkeitsabscheider,
- - einer Verbindungsleitung vom Flüssigabzug des Gas-Flüssigkeitsabscheider zu einer Druckreduzierungs- und Absperrvorrichtung, die mit dem Arbeitsfluidumlauf des Kreisprozesses verbunden ist.
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Als Wärmeübertragerfluide sind hier alle gasförmigen oder flüssigen Medien zu verstehen, mit denen Wärme übertragen wird, also etwa Luft, Wasser, Sole, Wärmeträgeröle oder dergleichen.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung werden als Arbeitsfluid Propan und als Inertgas Stickstoff verwendet. Bei der Wahl des Inertgases ist darauf zu achten, dass sich Inertgas nicht in flüssigem Arbeitsfluid lösen kann. Inertgas kann auch an anderen Stellen in solchen Anlagen verwendet werden, beispielsweise zur Inertisierung des Gehäuses oder des Kreisprozesses, wenn er zuvor entleert wurde und Arbeiten hieran stattfinden sollen. Für solche Zwecke können weitere Inertisierungsmaßnahmen vorgesehen werden. Der hier vorgesehene Inertgasbehälter ist nur für solches Inertgas vorgesehen, welches zum Entleeren des Sicherheitsbehälters, der Rückführung in den Kreisprozess oder zur Ausschleusung und Aufbewahrung von Inertgas aus dem Kreisprozess dient.
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Hierbei wird zum Entleeren des Sicherheitsbehälters zunächst der Druck erhöht, indem unter hohem Druck stehendes Inertgas in den mit Arbeitsfluid gefüllten Sicherheitsbehälter gedrückt wird. Hierdurch wird ein Teil des dampfförmig vorliegenden Arbeitsfluids verflüssigt, wobei angestrebt wird, dass dieser Anteil möglichst groß ist. Der unten im Sicherheitsbehälter befindliche Ablass leitet beim Öffnen also zunächst flüssiges Arbeitsfluid ab. Danach ergibt sich gegen Ende des Entleerungsvorgangs ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch im Abzug, bevor nur noch Inertgas abgezogen wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mit dem Propangasabzug des Sicherheitsbehälters eine Einrichtung zur Druckerhöhung vorgesehen ist. Im einfachsten Fall ist dies eine Pumpe, wie sie sonst auch in KFZ als Benzinpumpe oder als Einspritzpumpe eingesetzt wird. Die Pumpe sollte auch gegen ein Trockenlaufen geschützt sein, ein Gas-Flüssigkeitsgemisch fördern können und am besten wie ein Verdichter auch allein gasförmiges Fluid fördern können. Die Druckerhöhung muss dabei nicht hoch sein. Vorteilhaft ist es, wenn die Pumpe eine Zwangsförderung durchführt, wie es Kolbenpumpen, Zahnradpumpen, Rootspumpen, Schlauchpumpen oder Membranpumpen tun. Die Pumpe kann dabei auch innerhalb des Sicherheitsbehälters angeordnet sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das aus dem Sicherheitsbehälter entnommene Gas-Flüssigkeitsgemisch, das typischerweise ein Gemisch aus flüssigem Propan, gasförmigem Propan und Stickstoff ist, gekühlt. Hierdurch sinkt der Dampfdruck des Propans und je nach Druck des Inertgases liegen am nachfolgenden Gas-Flüssigkeitsabscheider nur noch eine flüssige Arbeitsfluid-Phase und eine gasförmige Inertgas-Phase vor, die voneinander getrennt werden müssen.
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Die Trennung erfolgt mit einem Gas-Flüssigkeitsabscheider, der vorzugsweise als Zyklonabscheider ausgeführt ist. Die flüssige Phase wird darin unten abgezogen und flüssig und unter Druck zum Umlauf des Kreisprozesses zurückgeführt. Kurz vor dem Eintritt wird der Druck reduziert. Hierbei ist darauf zu achten, dass keine Flash-Verdampfung in der Weise geschieht, dass Kavitation zu Störungen führt.
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Der Systemdruck vor der Druckreduzierung wird dabei von den Wünschen bezüglich der Weiterverwendung des im Gas-Flüssigkeitsabscheider abgeschiedenen Inertgases bestimmt. Sofern es in den Inertgasbehälter zurückgeführt werden soll, ist der Druck hoch zu wählen, damit während der Abscheidung möglichst wenig dampfförmiges Arbeitsfluid in den Inertgasbehälter gelangt. In diesem Fall muss die Druckerhöhungspumpe lediglich die Druckverluste ausgleichen, die im entstehenden Inertgaskreislauf überwunden werden müssen. Soll das Inertgas verworfen werden, kann auf höheren Druck verzichtet werden. Allerdings müssen dann auch Verluste an Arbeitsfluid ausgeglichen werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, dass Sicherheitsbehälter, Inertgasbehälter, Druckerhöhungspumpe, Gas-Flüssig-Abscheider sowie die zugehörigen Leitungen und Armaturen gemeinsam in einen druckdichten, hermetisch verschlossenen Sicherheitscontainer integriert werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Sicherheitsbehälter und seine Anschlüsse nicht selbst zum Sicherheitsrisiko werden. Hierdurch wird außer der Sicherheitsverbesserung auch die Wartung vereinfacht, da der Sicherheitscontainer schnell ausgetauscht werden kann.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der befüllte Sicherheitsbehälter dazu genutzt, Inertgas, welches sich beispielsweise nach einer Reparatur im Arbeitskreislauf befindet, in den das Arbeitsfluid danach wieder eingeführt werden soll, zu entfernen. Hierzu wird zunächst, wie oben beschrieben, Arbeitsfluid mittels Inertgasdruck in den Arbeitskreislauf gedrückt. Bei laufendem Verdichter wird das Arbeitsfluid-Inertgasgemisch sodann, ohne es in den Wärmetauschern des Kreisprozesses zu erwärmen, wieder flüssig in den Sicherheitsbehälter zurückgefördert, von wo aus es über die Druckerhöhungspumpe und den Gas-Flüssigkeitsabscheider wieder in den Arbeitskreislauf gelangt. Das Inertgas kann auf diese Weise praktisch vollständig abgeschieden werden.
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Die Erfindung umfasst auch ein sicheres Verfahren zur Entleerung des Arbeitsfluidumlaufes seiner Wiederbefüllung und der Entfernung von Inertgas aus dem Arbeitsfluidumlauf unter Verwendung der beschriebenen Vorrichtung.
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Zur Entleerung aus dem Arbeitsfluidumlauf, bzw. dem Befüllungsfall für den Sicherheitsbehälter wird die Absperrvorrichtung innerhalb des Arbeitsfluidumlaufes geschlossen und der Anschluss zum Sicherheitsbehälter geöffnet. Der Sicherheitsbehälter 13 wird dabei an seinem Ausgang versperrt. Sofern der Verdichter weiter laufen kann, was im Havariefall nicht immer der Fall ist, entspricht der Propangasdruck dem Enddruck, den der Verdichter 2 liefern kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Skizze näher erläutert. Hierbei zeigt 1 einen Arbeitsfluidumlauf und dem Sicherheitsbehälter mit Inertisierungsausstattung
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines Arbeitsfluidumlaufes 1 mit einem Verdichter 2, einem Kondensator 3, einer Druckreduzierung 4 und einem Verdampfer 5 in einem geschlossenen Gehäuse 6. Das Gehäuse 6 verfügt über einen Wärmequellen-Anschluss 7, einen Wärmequellen-Vorlauf 8, einen Wärmesenken-Vorlauf 9 und einen Wärmesenken-Anschluss 10. Der Arbeitsfluidumlauf 1 wird in diesem Beispiel mit dem entzündlichen Arbeitsfluid Propan, welches auch unter der Bezeichnung R290 bekannt ist, betrieben. Dargestellt sind nur die wichtigsten Absperrorgane, selbstverständlich wird der Fachmann weitere Absperreinrichtungen und Rückschlagsicherungen vorsehen.
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Im Entleerungsfall aus dem Arbeitsfluidumlauf, bzw. dem Befüllungsfall für den Sicherheitsbehälter wird das Dreiwegeventil 11 so umgeschaltet, dass ein Durchgang des Arbeitsfluids vom Verdichter 2 zum Kondensator 3 verhindert wird, während der zuvor geschlossene Durchgang vom Verdichter 2 zum Sicherheitsbehälter 13 durch die Arbeitsfluidzuleitung 12 geöffnet wird. Der Sicherheitsbehälter 13 wird dabei an seinem Ausgang versperrt. Sofern der Verdichter weiter laufen kann, was im Havariefall nicht immer der Fall ist, entspricht der Propangasdruck dem Enddruck, den der Verdichter 2 liefern kann.
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Falls der Verdichter 2 nicht mehr betriebsbereit ist, kann notfalls Inertgas aus dem Druckbehälter 14 über die Inertgasleitung 23, die Arbeitsfluidzuleitung 21 und das Druckreduzierventil 22 in den Arbeitsfluidumlauf 1 gedrückt werden. Die Betätigung der Armaturen sollte in diesem Fall mittels Notstrom möglich sein. Das Drei-Wege-Ventil 11 schließt hierbei den Kreislauf 1 und leitet das Propan-Inertgas-Gemisch zum Sicherheitsbehälter 13 durch die Arbeitsfluidzuleitung 12. Auch im Falle eines Stromausfalls kann auf diese Weise die Befüllung des Sicherheitsbehälters bei gleichzeitiger Inertisierung des Arbeitsfluidumlaufes sichergestellt werden. Im Falle einer Leckage bewirkt die Zugabe des Inertgases auch am leckagebedingten Austritt eine Reduzierung des Entzündungsrisikos.
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Ist das Propan aus dem Arbeitsfluidumlauf 1 vollständig, ggf. zusammen mit etwas Inertgas im Sicherheitsbehälter, kann dieser auch über einen längeren Zeitraum zur Zwischenlagerung des Propans dienen. Um auch Sicherheit gegenüber thermischer Einwirkung durch Brände zu bieten, kann dieser Sicherheitsbehälter einschließlich seiner Absperrungen auch auf deutlich höhere Drücke als für den Regelbetrieb ausgelegt werden. Insbesondere muss er auf denselben höheren Druck wie der Inertgasbehälter ausgelegt werden, damit eine Überlastung bei Verbindung der beiden Behälter ausgeschlossen ist.
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Zur Entleerung in den betriebsbereiten Arbeitsfluidumlauf wird zunächst der Druck im Sicherheitsbehälter 13 durch Öffnen des Sperrventils 16 deutlich erhöht, indem Inertgas aus der Inertgaszuleitung 15 zuströmt. Das Sperrventil 16 kann dabei auch als regelbares Druckreduzierventil ausgeführt werden. Bei der Wahl von Stickstoff als Inertgas ist der Temperaturabfall bei der Druckreduzierung zu beachten, dieser Temperaturabfall sollte in den Sicherheitsbehälter durch konstruktive Maßnahmen erfolgen, was durch Integration des Sperrventils 16 in den Kopf des Sicherheitsbehälters bewirkt werden kann. Eine Temperatursenkung im Sicherheitsbehälter ist dabei erwünscht.
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Sobald im Sicherheitsbehälter ein hoher Druck erreicht wird, verflüssigt sich das in ihm befindliche Propan und kann als Flüssigphase im unteren Teil des Sicherheitsbehälters abgezogen werden. Während anfangs eine reine Flüssigphase abgezogen wird, bewirkt die Strömung im Sicherheitsbehälter 13 eine zunehmende Vermischung mit Inertgas, bis am Ende des Entleerungsvorgangs nur noch Inertgas vorliegt. Aus diesem Grund kann dieser Abzug nicht direkt mit dem Arbeitsfluidumlauf verbunden werden.
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Zuvor ist daher eine Trennung von flüssigem Propan von gasförmigem Inertgas vorzunehmen. Hierzu wird die aus dem Sicherheitsbehälter abgezogenen Phase zunächst mittels der Druckerhöhungspumpe 17 erhöht, danach im Kühler 18 gekühlt und nachfolgend über die Leitung 19 dem Gas-Flüssig-Abscheider 20 zugeführt.
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Die Kühlung kann durch verschiedene Maßnahmen erfolgen, es kann hierfür ein Kühlakku verwendet werden, der vor der Entleerung gekühlt wurde, es kann aber auch eine externe Kühlung erfolgen. Die Kühlung ist dabei optional.
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Der Gas-Flüssig-Abscheider 20 wird vorzugsweise als Zyklonabscheider ausgeführt, wobei die Flüssigphase durch die Wirbel an den Rand gedrückt und im Trichter abgezogen wird, während die Gasphase wieder in den Inertgasbehälter zurückgeführt werden kann. Damit diese Rückführung funktioniert, muss am Ausgang des Gas-Flüssig-Abscheiders 20 ein höherer Druck als im Inertgasbehälter anliegen.
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Diese Druckdifferenz soll durch die Druckerhöhungspumpe 17 bewältigt werden. Dass Spuren des gasförmigen Propans auf diese Weise mit dem im Kreislauf geführten Inertgas in den Inertgasbehälter 14 gelangen können, darf toleriert werden, da die bestimmungsgemäße Funktionalität hierdurch nicht beeinträchtigt wird, ggf. kann dem Gas-Flüssig-Abscheider 20 auch eine adsorptiven Feinreinigung bezüglich Propangasanteilen erfolgen.
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Die flüssige Propanphase wird über die Arbeitsfluidzuleitung 21 in den Arbeitsfluidumlauf 1 zurückgeführt, wobei der dort anliegende hohe Druck durch ein Druckreduzierventil 22 am Arbeitsfluidumlauf 1 entsprechend reduziert wird, um eine Drucküberlastung des Arbeitsfluidumlaufes sicher zu vermeiden. Beim Wiederbefüllen wird das Drei-Wege-Ventil 11 wieder so zurückgeschaltet, dass der Weg zum Sicherheitsbehälter 13 geschlossen und der Arbeitsfluidumlauf offen ist.
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Müssen bei der Wiederbefüllung des Arbeitsfluidumlaufes 1 dagegen größere Mengen Inertgas aus dem Arbeitsfluidumlauf ausgeschleust werden, bleibt das Drei-Wege-Ventil 11 zunächst zum Sicherheitsbehälter 11 hin offen, damit auszuschleusendes Inertgas in den Sicherheitsbehälter gefördert wird, während über die Arbeitsfluidzuleitung 21 Propan in den Kreislauf 1 strömt. Es ist aus diesem Grund sinnvoll, diese Arbeitsfluidzuleitung 21 unmittelbar hinter dem Drei-Wege-Ventil 11 anzuschließen, damit der nicht durchströmbare Totraum zwischen Ableitung und Zuleitung möglichst klein bleibt. Sobald das Inertgas aus dem Arbeitsfluidumlauf 1 dann in den Sicherheitsbehälter 13 gespült worden ist, wird die Arbeitsfluidzuleitung 12 geschlossen und das Drei-Wege-Ventil 11 im Arbeitsfluidumlauf geöffnet. Mit dem Inertgas-Propan-Gemisch, welches beim Durchspülen dabei in den Sicherheitsbehälter 13 gelangt ist, wird danach wie in einem normalen Befüllvorgang verfahren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Arbeitsfluidumlauf
- 2
- Verdichter
- 3
- Kondensator
- 4
- Druckreduzierung
- 5
- Verdampfer
- 6
- Gehäuse
- 7
- Wärmequellen-Anschluss
- 8
- Wärmequellen-Vorlauf
- 9
- Wärmesenken-Vorlauf
- 10
- Wärmesenken-Anschluss
- 11
- Drei-Wege-Ventil
- 12
- Arbeitsfluidzuleitung
- 13
- Sicherheitsbehälter
- 14
- Inertgasbehälter
- 15
- Inertgaszuleitung
- 16
- Sperrventil
- 17
- Druckerhöhungspumpe
- 18
- Kühler
- 19
- Leitung
- 20
- Gas-Flüssig-Abscheider
- 21
- Arbeitsfluidleitung
- 22
- Druckreduzierventil
- 23
- Inertgasleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2015/032905 A1 [0008, 0009]
- DE 553295 [0010]
- DE 4114529 A1 [0011]
- DE 19525064 C1 [0012, 0015]
- DE 102011116863 A1 [0013]
- DE 19526980 A1 [0014]
- EP 1666287 [0016]
- EP 2921801 A1 [0017]
- EP 3115714 A1 [0018]
