EP2357433A1 - Inertgas-Falle an geschlossenen Sorptionssystemen - Google Patents

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EP2357433A1
EP2357433A1 EP10001445A EP10001445A EP2357433A1 EP 2357433 A1 EP2357433 A1 EP 2357433A1 EP 10001445 A EP10001445 A EP 10001445A EP 10001445 A EP10001445 A EP 10001445A EP 2357433 A1 EP2357433 A1 EP 2357433A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
inert gas
cavity
working fluid
valve
gas trap
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10001445A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Maier-Laxhuber Dr. Peter
Schmidt Dr. Ralf
Wörz Dipl.-Ing. Reiner
Becky Andreas
Richter Gert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zeo Tech Zeolith Technologie GmbH
Original Assignee
Zeo Tech Zeolith Technologie GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zeo Tech Zeolith Technologie GmbH filed Critical Zeo Tech Zeolith Technologie GmbH
Priority to EP10001445A priority Critical patent/EP2357433A1/de
Publication of EP2357433A1 publication Critical patent/EP2357433A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B43/00—Arrangements for separating or purifying gases or liquids; Arrangements for vaporising the residuum of liquid refrigerant, e.g. by heat
    • F25B43/04—Arrangements for separating or purifying gases or liquids; Arrangements for vaporising the residuum of liquid refrigerant, e.g. by heat for withdrawing non-condensible gases
    • F25B43/046—Arrangements for separating or purifying gases or liquids; Arrangements for vaporising the residuum of liquid refrigerant, e.g. by heat for withdrawing non-condensible gases for sorption type systems

Definitions

  • the invention relates to devices and methods for removing interfering inert gases from closed, periodically operating sorption systems according to the preamble of claims 1 and 11.
  • Inert gases may be presorbed in the sorbent as well as in the working fluid, released by chemical reactions, outgassed from the existing materials (vessel walls, sealants, heat exchangers, etc.) or leaked into the system.
  • the interfering inert gases or vapors prevent a rapid sorption process, as they impede the access of the vaporous working medium to the sorbent, which in turn can lead to a significant slowing down of the generation of cooling or heat. A significant decline in performance of these sorption systems is the result.
  • zeolite In sorption systems, the use of zeolite as a sorbent and of water as a working medium has proven to be advantageous. Zeolites have a very good ability to absorb water. It releases large amounts of heat of sorption. In addition, water has a high evaporation and solidification enthalpy, so that this pair of substances is particularly suitable for heating and cooling processes according to the sorption principle.
  • this pair of substances in particular the inert gases hydrogen, hydrocarbons and CO 2 occur in sorption systems. If these gases, which are inert for the sorption process, are not removed from the vacuum system, the sorption process is noticeably impeded.
  • the DE 4444252 discloses the use of the binding agent Ca (OH) 2 to bind the foreign gas CO 2 in a sorption system which works with the substance pairing of water-zeolite.
  • Object of the present invention is to permanently remove interfering inert gases in closed, periodically operating sorption from the sorption process throughout the term.
  • the invention utilizes the phenomenon that flowing working agent vapor entrains inert gases and concentrates where the working fluid condenses during the desorption phase.
  • an inert gas trap is connected to this collection point, through the input valve working medium vapor together with entrained inert gas can flow into a cavity located behind it.
  • the inlet valve is arranged so that the cavity side always remains a residue of liquid working fluid and thus blocks the inert gas the way back into the sorption. Liquefied working fluid collects in the cavity in addition to the inert gases. The latter must be able to get back into the sorption cycle.
  • the inlet valve remains open in the cavity until the liquid working medium is pressed back into the sorption system with decreasing total pressure.
  • the inlet valve before inert gas can escape, the inlet valve must close.
  • the input valve is advantageously configured as a float valve, which floats on liquid working fluid and keeps the valve floating while floating.
  • the input valve closes automatically before the entire working fluid has flowed back is.
  • the inert gas thus remains separated with a small amount of working fluid in the cavity.
  • the input valve may be provided with a control that opens the valve as soon as the sorption system is at a higher pressure than in the cavity and then closes when a minimum fluid level is reached at lower system pressure.
  • the input valve is designed as a float valve, which floats on liquid working fluid while keeping the valve open.
  • the valve itself can be designed as a small opening in the lower region of the cavity, which in turn can be closed by a sucker-shaped, flexible bellows as soon as the float body touches the bellows with decreasing working fluid level.
  • the weight of the float must therefore be large enough to securely close the opening before the inert gas can flow back.
  • the float is lifted by the working medium vapor entering the cavity.
  • a separate valve control is not necessary in this construction.
  • the float may e.g. be made inexpensively from the plastic polypropylene (PP).
  • PP polypropylene
  • the cavity may be designed for the total amount of inert gas expected during the service life of the sorption system. However, if the cavity required for this purpose can not be accommodated in the construction volume of the sorption system, a recurring removal of the collected inert gas is necessary.
  • the inert gas must be removed.
  • several measures are suitable. For one thing, over an outlet valve from time to time the inert gas to be blown off. However, this is only possible with tools that have an overpressure at ambient temperatures.
  • the residual water in the cavity (for example by means of an electric heater) must be heated to temperatures above 100 ° C. If the outlet valve is designed as a pressure relief valve, the purging takes place without further intervention.
  • the time for a heating of the residual water can also be determined via the temperature difference signal of two temperature measuring points. Since the working medium vapor always flows into the cavity in the lower region and consequently the inert gas is forced into the upper region of the cavity, depending on the proportion of inert gas, a more or less pronounced temperature difference occurs. Without inert gas, the two temperatures are identical. The more inert gas is accumulated, the greater the temperature difference.
  • the liquefaction temperature of a sorption system is e.g. 60 ° C, at an ambient temperature of 25 ° C, a maximum difference of 35 K may be set as the starting value for the heating of the working fluid remaining in the cavity. At higher condensation temperatures, the temperature difference may also be 70 K or above.
  • a shutdown of the heating can be carried out according to the invention via the same temperature difference signal. Namely, as soon as the inert gas is blown out of the cavity, concentrated working fluid vapor also in the upper region. The temperature difference is thus immediately smaller and can thus serve as a shutdown signal for the heater.
  • inert gases can also be pumped out of the cavity on a regular basis.
  • vacuum pumps can do this, as their necessary final pressure only has to be slightly below the highest system pressure during desorption.
  • the vacuum pump only has to reach a final pressure below 200 mbar.
  • the outlet valve may advantageously be formed as a one-way valve. The vacuum pump can advantageously be operated manually.
  • the opening and closing of a cold room door or a cold box lid may e.g. be coupled via a mechanical transmission system with the lifting movement of a small diaphragm pump. With each door or lid operation, a slight negative pressure is automatically generated in order to re-evacuate the sorption system of the cold room on demand or permanently.
  • reaction substances for the inert gas carbon dioxide (CO 2 ), reaction substances are known which form a chemical or physical bond with CO 2 and which do not release any other interfering gases or vapors when binding and holding CO 2 . Consequently, advantageous are reactants which convert to carbonates in the presence of CO 2 . Accordingly, soda lime is suitable for the binding of CO 2 as it is used today in circulatory respiratory protective devices and anesthesia devices.
  • the reaction substance contains predominantly calcium hydroxide Ca (OH) 2 and sodium hydroxide NaOH. Ca (OH) 2 then reacts with absorption of CO 2 to form CaCO 3 .
  • this reaction substance is disposed within the cavity. In particular, the upper portion of the cavity is ideally suited for the reaction material since there is the inert gas with the highest concentration.
  • a sorbent container 2 contains a zeolite filling and a heat exchanger 3 for heating and cooling the zeolite filling.
  • a line 10 is connected above the maximum water level, which leads to an input valve 19 with underlying cavity 13.
  • the input valve 19 consists of a cylindrical polypropylene floating body 14, which includes a sucker-shaped bellows 15 at the lower end, with which it can close an opening 16 to 10 line, as soon as the water level 17 has dropped to the bottom of the cavity 13 so far that the Bellows 15 rests on the opening 16.
  • In the upper region of the cylindrical cavity 13 there is an outlet valve 18 via which with the help of a dockable vacuum pump (not shown) of the cavity 13 and via the line 10, the entire sorption system 1 can be evacuated.
  • the sorption system 1 operates periodically. During each desorption phase, the zeolite is heated via the heat exchanger 3 to high temperatures (eg 200 ° C). The water vapor pressure in the sorbent container 2 thereby increases. Water vapor flows via the steam channel 5 into the condenser 6. With release of heat, the vapor liquefies at temperatures of about 60 to 80 ° C. The condensate flows into the sump 7. There it jams, since the valve 8 is closed to the evaporator during the desorption phase. A portion of the water vapor flowing out of the sorbent entrains inert gases into the collecting container 7 and from there through the line 10 to the opening 16 below the floating body 14.
  • high temperatures eg 200 ° C
  • the water vapor pressure in the sorbent container 2 thereby increases. Water vapor flows via the steam channel 5 into the condenser 6. With release of heat, the vapor liquefies at temperatures of about 60 to 80 ° C. The condensate flows into the sump 7. There it jams
  • Fig. 2 shows an inert gas trap, similar to in Fig. 1 , extended by a heater 20 in the region of the residual liquid 21 and two temperature sensors 22, 23 in the lower and upper region of the cavity 24.
  • the line 10 in turn opens in the lower region of a cylindrical cavity 24.
  • a fixed at the end of the line 10, flexible suction 26th forms the valve seat for the floating floating body 27, which is guided by the cylindrical cavity 24 in accordance with the state of the residual liquid on the nipple or floating freely.
  • the difference between the two temperature sensors 22, 23 is evaluated by a controller 25, which sets the heater 20 in operation when a preset temperature difference is exceeded and switches off again when falling below a smaller difference selected.
  • the process of removing inert gas from the cavity 24 is now completely self-regulating.
  • the two temperature sensors 22, 23 are at ambient temperature.
  • water vapor now enters the cavity 24 from below and condenses uniformly in all areas, provided that no or only little inert gas is present. However, if there is a lot of inert gas in the cavity 24, it condenses only in the lower region, while in the upper part, the temperature hardly rises.
  • the controller 25 detects this and sets when exceeding the preset difference, the electric heater 20 in operation. The temperature of the residual liquid 21 then rises until the total pressure in the cavity 24, the pressure relief valve 28 opens slightly to the environment and squeezes the inert gas from the inert gas trap.
  • the incoming water vapor condenses instantly even in the colder, upper area and raises the temperature at the upper temperature sensor 23.
  • the difference in the controller 25 falls below the lower setpoint and switches off the heater 20 again.
  • the cavity 24 is now free of inert gas and can again accumulate inert gas from the following desorption phase until at some point the regulator 25 responds again and causes the discharge of inert gas.
  • FIG. 3 shows another, inexpensive inert gas trap for a simple sorption 1 with the fabric pair zeolite-water.
  • a gas-tight cylinder 30 Within a gas-tight cylinder 30 is located in the upper region of a zeolite filling 31, which is heated by a heat carrier circuit 32 and cooled. In the lower region, a heat exchanger 33 is arranged, which absorbs heat during the desorption phase and releases heat to the surrounding, evaporating water 34 during the adsorption phase. The water level 35 thus fluctuates within a minimum and maximum level, depending on the operating state of the sorption is currently.
  • the inert gas trap is also disposed within the cylinder 30. Its cavity 36 is partially bounded by the gas-tight cylinder 30 and thus has a cooling surface 37 to the outside.
  • the water vapor flowing into the cavity can condense and the flow can be maintained.
  • the other interfaces 38 of the cavity 36 point inwards.
  • a bore 39 In the lowest part of the cavity 36 is a bore 39, which opens slightly above the maximum level 35.
  • the bore 39 can be closed on the cavity side by a flexible suction device 40, which is fastened to the lower end of the floating body 41.
  • a reagent 42 In the upper region of the cavity 36 is a reagent 42 for the chemical bonding of carbon dioxide, the main component of the separated inert gas. Soda lime contained in the reactant 42 reacts with carbon dioxide to form insoluble calcium carbonate (CaCO 3 ) with release of a water molecule.
  • the cavity 36 itself has no outlet valve, since the void volume is sufficiently sized.
  • the cylinder 30 tilted so that the float 41, the bore 39 can be released for evacuation. After evacuation, the cylinder 30 is returned to the operating state. The cavity 36 is now ready for buffering inert gases.

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Abstract

Inertgas-Falle für geschlossene Sorptionssysteme (1) die ein Arbeitsmittel (12, 34) enthalten, das von einem festen Sorptionsmittel (31) dampfförmig periodisch sorbiert wird, sowie einen Verflüssiger (6), zur Verflüssigung von Arbeitsmitteldampf, wobei im Bereich des Verflüssigers (6) ein Hohlraum (13, 24, 36) zur Pufferung für Inertgas angeschlossen ist und der Hohlraum (13, 24, 36) im unteren Bereich ein Eingangsventil (19) enthält und wobei das Eingangsventil (19) hohlraumseitig immer mit flüssigem Arbeitsmittel bedeckt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zum Entfernen störender Inertgase aus geschlossenen, periodisch arbeitenden Sorptionssystemen gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 11.
  • In der DE-OS-34 25 419 sind Heiz- und Kühlverfahren beschrieben, die nach dem Sorptionsprinzip mit dem Stoffpaar Zeolith-Wasser unter Vakuumbedingungen arbeiten. Das feste Sorptionsmittel Zeolith sorbiert dabei ein Arbeitsmittel (z.B. Wasserdampf), sofern dieses von Inertgasen ungehindert in das Sorptionsmittelgefüge einströmen kann.
  • Inertgase können sowohl im Sorptionsmittel als auch im Arbeitsmittel vorsorbiert sein, durch chemische Reaktionen freigesetzt werden, aus den vorhandenen Materialien (Behälterwände, Dichtmaterialien, Wärmetauscher usw.) ausgasen oder über Leckagen in das System eintreten. Die störenden Inertgase oder -dämpfe verhindern einen schnellen Sorptionsprozess, da sie den Zutritt des dampfförmigen Arbeitsmittels zum Sorptionsmittel erschweren, was wiederum zu einer deutlichen Verlangsamung der Kälte- bzw. Wärmeerzeugung führen kann. Ein erheblicher Leistungsabfall dieser Sorptionssysteme ist die Folge.
  • In Sorptionssystemen hat sich der Einsatz von Zeolith als Sorptionsmittel und von Wasser als Arbeitsmittel als vorteilhaft erwiesen. Zeolithe haben eine sehr gute Fähigkeit, Wasser aufzunehmen. Dabei werden große Mengen Sorptionswärme frei. Zusätzlich hat Wasser eine hohe Verdampfungs- sowie Erstarrungsenthalpie, so dass sich dieses Stoffpaar besonders für Heiz- und Kühlverfahren nach dem Sorptionsprinzip eignet. Bei Verwendung dieses Stoffpaares treten in Sorptionssystemen insbesondere die Inertgase Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe und CO2 auf. Werden diese für den Sorptionsprozess inerten Gase nicht aus dem Vakuumsystem entfernt, wird der Sorptionsprozess spürbar behindert.
  • Die DE 4444252 offenbart den Einsatz des Bindemittels Ca(OH)2 um das Fremdgas CO2 in einem Sorptionssystem, das mit der Stoffpaarung Wasser-Zeolith arbeitet, zu binden.
  • Bei größeren Sorptionssystemen saugen eigens installierte Vakuumpumpen Inertgase aus dem Vakuumsystem ab. Bei kleinen oder mobilen Sorptionssystemen ist der zusätzliche Aufwand für eine Vakuumpumpe und die dafür notwendige Steuerung nicht wirtschaftlich.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, in geschlossenen, periodisch arbeitenden Sorptionssystemen störende Inertgase während der gesamten Laufzeit aus dem Sorptionsprozess dauerhaft zu entfernen.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Teile der Patentansprüche 1 und 11.
  • Die Erfindung nutzt das Phänomen, dass strömender Arbeitsmitteldampf Inertgase mitreißt und dort aufkonzentriert, wo das Arbeitsmittel während der Desorptionsphase kondensiert. Erfindungsgemäß wird an dieser Sammelstelle eine Inertgas-Falle angeschlossen, durch deren Eingangsventil Arbeitsmitteldampf samt mitgerissenem Inertgas in einen dahinterliegenden Hohlraum strömen kann.
    Das Eingangsventil ist dabei so angeordnet, dass hohlraumseitig immer ein Rest flüssigen Arbeitsmittels verbleibt und somit dem Inertgas den Weg zurück in das Sorptionssystem versperrt. Im Hohlraum sammelt sich neben den Inertgasen auch verflüssigtes Arbeitsmittel. Letzteres muss wieder zurück in den Sorptionskreislauf gelangen können. Erfindungsgemäß bleibt das Eingangsventil in den Hohlraum solange offen, bis das flüssige Arbeitsmittel bei sinkendem Gesamtdruck wieder zurück in das Sorptionssystem gedrückt wird. Bevor allerdings Inertgas mit austreten kann muss das Eingangsventil schließen. Vorteilhaft wird hierzu das Eingangsventil als Schwimmerventil ausgestaltet, das auf flüssigem Arbeitsmittel schwimmt und schwimmend das Ventil offen hält. Somit schließt das Eingangsventil selbsttätig bevor das gesamte Arbeitsmittel zurückgeflossen ist. Das Inertgas verbleibt somit mit einem kleinen Rest Arbeitsmittel im Hohlraum separiert.
  • Prinzipiell kann das Eingangsventil mit einer Steuerung versehen sein, die das Ventil öffnet, sobald im Sorptionssystem ein höherer Druck als im Hohlraum ansteht und dann schließt, sobald bei tieferem Systemdruck ein minimaler Flüssigkeitsstand erreicht wird.
    Vorteilhaft wird das Eingangsventil als Schwimmerventil ausgeführt, das auf flüssigem Arbeitsmittel schwimmt und dabei das Ventil offen hält. Das Ventil selbst kann als eine kleine Öffnung im unteren Bereich des Hohlraumes ausgeführt sein, die wiederum von einem saugerförmigen, flexiblen Balg verschlossen werden kann, sobald der Schwimmerkörper bei sinkendem Arbeitsmittelniveau auf den Balg aufsetzt. Das Gewicht des Schwimmkörpers muss folglich groß genug sein, um die Öffnung sicher zu verschließen bevor das Inertgas rückströmen kann. Während der Desorptionsphasen wird der Schwimmkörper von dem in den Hohlraum einströmendem Arbeitsmitteldampf angehoben. Eine eigene Ventilsteuerung ist bei dieser Bauweise nicht notwendig.
  • Sofern das Arbeitsmittel Wasser ist, kann der Schwimmkörper z.B. kostengünstig aus dem Kunststoff Polypropylen (PP) gefertigt sein. Dieser Kunststoff hat eine geringere Dichte als Wasser und schwimmt somit auch als massiver Körper auf dem flüssigen Arbeitsmittel.
  • Der Hohlraum kann für die gesamte Inertgasmenge, die während der Betriebsdauer des Sorptionssystems zu erwarten ist, ausgelegt sein. Sofern aber der hierfür notwendige Hohlraum nicht im Bauvolumen des Sorptionssystems untergebracht werden kann, ist eine wiederkehrende Entnahme des gesammelten Inertgases notwendig.
  • Spätestens dann, wenn der Gesamtdruck im Hohlraum so groß ist, dass während der Desorptionsphase, bei welcher der Systemdruck ja bekanntlich am höchsten ist, kein weiterer Arbeitsmitteldampf in den Hohlraum einströmen kann, muss das Inertgas entfernt werden.
    Hierzu eignen sich mehrere Maßnahmen. Zum einen kann über ein Austrittsventil von Zeit zu Zeit das Inertgas abgeblasen werden. Dies ist aber nur bei Arbeitsmitteln möglich, die bei Umgebungstemperaturen einen Überdruck aufweisen.
  • Beim Arbeitsmittel Wasser ist dies nicht der Fall. Hier muss das im Hohlraum befindliche Restwasser (z.B. mittels einer elektrischen Heizung) auf Temperaturen von über 100 °C erhitzt werden. Wenn das Austrittsventil als Überdruckventil ausgeführt ist, erfolgt die Ausblasung ohne weitere Eingriffe.
  • Der Zeitpunkt für eine Aufheizung des Restwassers kann auch über das Temperaturdifferenz-Signal zweier Temperaturmessstellen bestimmt werden. Da der Arbeitsmitteldampf immer im unteren Bereich in den Hohlraum einströmt und folglich das Inertgas in den oberen Bereich des Hohlraumes gedrängt wird, stellt sich je nach Inertgas-Anteil eine mehr oder weniger ausgeprägte Temperaturdifferenz ein. Ohne Inertgas sind die beiden Temperaturen identisch. Je mehr Inertgas angesammelt ist, umso größer ist die Temperaturdifferenz. Beträgt die Verflüssigungstemperatur eines Sorptionssystems z.B. 60 °C, kann bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C eine maximale Differenz von 35 K als Eingangswert für den Start der Heizung des im Hohlraum verbliebenen Arbeitsmittels eingestellt sein. Bei höheren Kondensationstemperaturen kann die Temperaturdifferenz auch bei 70 K oder darüber liegen. Eine Abschaltung der Beheizung kann erfindungsgemäß über dasselbe Temperaturdifferenz-Signal erfolgen. Sobald nämlich das Inertgas aus dem Hohlraum ausgeblasen ist, kondensiert Arbeitsmitteldampf auch im oberen Bereich. Die Temperaturdifferenz wird dadurch augenblicklich kleiner und kann somit als Abschaltsignal für die Heizung dienen.
  • Zum anderen können Inertgase aus dem Hohlraum aber auch regelmäßig abgepumpt werden. Bereits einfach aufgebaute Vakuumpumpen können dies übernehmen, da deren notwendiger Enddruck lediglich leicht unterhalb des höchsten Systemdrucks während der Desorption liegen muss. Bei Wasser als Arbeitsmittel und einer maximalen Kondensationstemperatur von z.B. 60 °C muss die Vakuumpumpe lediglich einen Enddruck unterhalb von 200 mbar erreichen. Auch in diesem Fall kann das Austrittsventil vorteilhaft als Einwegventil ausgebildet sein. Die Vakuumpumpe kann vorteilhaft manuell betätigt sein.
  • Das Öffnen und Schließen einer Kühlraumtür oder eines Kühlboxdeckels kann z.B. über ein mechanisches Übertragungssystem mit der Hubbewegung einer kleinen Membranpumpe gekoppelt sein. Bei jeder Tür- bzw. Deckelbetätigung wird automatisch etwas Unterdruck erzeugt, um das Sorptionssystem des Kühlraumes bei Bedarf oder permanent nachzuevakuieren.
  • Für das Inertgas Kohlendioxid (CO2) sind Reaktions-Stoffe bekannt, die eine chemische oder physikalische Bindung mit CO2 eingehen und die beim Binden und Festhalten von CO2 keine weiteren störenden Gase oder Dämpfe freisetzen. Vorteilhaft sind folglich Reaktionspartner, die sich bei Anwesenheit von CO2 in Carbonate umwandeln.
    Für das Binden von CO2 eignet sich demzufolge Atemkalk wie er heute in Kreislauf-Atemschutzgeräten und Narkosegeräten zum Einsatz kommt. Der Reaktions-Stoff enthält überwiegend Calciumhydroxid Ca(OH)2 und Natriumhydroxid NaOH. Ca(OH)2 reagiert dann unter Aufnahme von CO2 zu CaCO3. Erfindungsgemäß wird dieser Reaktions-Stoff innerhalb des Hohlraumes angeordnet. Insbesondere der obere Bereich des Hohlraumes eignet sich in idealer Weise für den Reaktions-Stoff da dort das Inertgas mit der höchsten Konzentration ansteht.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung skizziert.
    Es zeigt, jeweils in geschnittener Darstellung:
    • Fig. 1 ein Sorptionssystem mit einer Inertgas-Falle,
    • Fig. 2 eine Inertgas-Falle mit Heizung und
    • Fig. 3 ein einfaches Sorptionssystem mit integrierter Inertgas-Falle
  • In einem geschlossenen Sorptionssystem 1 enthält ein Sorptionsmittelbehälter 2 eine Zeolithfüllung und einen Wärmetauscher 3 zum Erhitzen und Kühlen der Zeolithfüllung. Ein Dampfkanal 5, der zugleich als Kondenstor 6 fungiert, führt zu einem Sammelbehälter 7, der über ein Ventil 8 an einen Verdampfer 9, der als Arbeitsmittel Wasser 12 enthält, angebunden ist. Im Sammelbehälter 7 ist über dem maximalen Wasserstand eine Leitung 10 angeschlossen, die zu einem Eingangsventil 19 mit dahinterliegendem Hohlraum 13 führt. Das Eingangsventil 19 besteht aus einem zylindrischen Polypropylen-Schwimmkörper 14, der am unteren Ende einen saugerförmigen Balg 15 enthält, mit dem er eine Öffnung 16 zur Leitung 10 verschließen kann, sobald der Wasserstand 17 im unteren Bereich des Hohlraumes 13 soweit abgesunken ist, dass der Balg 15 auf der Öffnung 16 aufliegt.
    Im oberen Bereich des zylindrischen Hohlraumes 13 befindet sich ein Austrittsventil 18 über das mit Hilfe einer andockbaren Vakuumpumpe (nicht gezeichnet) der Hohlraum 13 und über die Leitung 10 das gesamte Sorptionssystem 1 evakuiert werden kann.
  • Das Sorptionssystem 1 arbeitet periodisch. Während jeder Desorptionsphase wird die Zeolithfüllung über den Wärmetauscher 3 auf hohe Temperaturen (z.B. 200°C) erhitzt. Der Wasserdampfdruck im Sorptionsmittelbehälter 2 steigt dadurch an. Wasserdampf strömt über den Dampfkanal 5 in den Kondensator 6. Unter Wärmeabgabe verflüssigt sich der Dampf bei Temperaturen von ca. 60 bis 80 °C. Das Kondensat fließt in den Sammelbehälter 7 ab. Dort staut es sich, da das Ventil 8 zum Verdampfer während der Desorptionsphase geschlossen ist. Ein Teil des aus dem Sorptionsmittel abströmenden Wasserdampfes reißt Inertgase mit in den Sammelbehälter 7 und von dort durch die Leitung 10 zur Öffnung 16 unterhalb des Schwimmkörpers 14. Dieser wird durch den einströmenden Wasserdampf angehoben bis er auf dem flüssigen Arbeitsmittelkondensat schwimmt. Der einströmende Wasserdampf transportiert das Inertgas in den Hohlraum 13. Er selbst kondensiert partiell an den Wänden des Hohlraumes 13 während das Inertgas im oberen Bereich aufkonzentriert.
    Nach der Desorptionsphase kühlt sich das Sorptionsmittel wieder ab. Der Arbeitsmitteldampfdruck im System sinkt. In der Folge nimmt der Zustrom von Arbeitsmitteldampf in den Hohlraum 13 ab bis sich die Druckverhältnisse umkehren. Im Bereich vor der Öffnung 16 zur Leitung 10 steht flüssiges Arbeitsmittel, das jetzt zurück in das restliche Sorptionssystem 1 gedrückt wird. Allerdings nur solange bis der Flüssigkeitsstand 17 soweit abgesenkt ist, dass der Balg 15 auf der Öffnung 16 aufsetzt und die Strömung abreißt.
  • Fig. 2 zeigt eine Inertgas-Falle, ähnlich wie in Fig. 1, erweitert um eine Heizung 20 im Bereich der Restflüssigkeit 21 und zwei Temperaturfühler 22, 23 im unteren und oberen Bereich des Hohlraumes 24. Die Leitung 10 mündet wiederum im unteren Bereich eines zylindrischen Hohlraumes 24. Ein am Ende der Leitung 10 fixierter, flexibler Sauger 26 bildet den Ventilsitz für den frei schwimmenden Schwimmkörper 27, der geführt vom zylindrischen Hohlraum 24 entsprechend dem Stand der Restflüssigkeit auf dem Sauger aufsitzt oder frei schwimmt. Die Differenz der beiden Temperaturfühler 22, 23 wird von einem Regler 25 ausgewertet, der bei Überschreiten einer voreingestellten Temperaturdifferenz die Heizung 20 in Betrieb setzt und bei Unterschreiten einer kleiner gewählten Differenz wieder abschaltet.
    Der Vorgang der Entfernung von Inertgas aus dem Hohlraum 24 erfolgt nunmehr vollkommen selbstregelnd. Während einer Adsorptionsphase sind die beiden Temperaturfühler 22, 23 auf Umgebungstemperatur. Während der Desorptionsphase tritt nunmehr von unten Wasserdampf in den Hohlraum 24 ein und kondensiert in allen Bereichen gleichmäßig, sofern kein oder nur wenig Inertgas vorhanden ist. Befindet sich jedoch viel Inertgas im Hohlraum 24, kondensiert er nur im unteren Bereich, während im oberen Bereich die Temperatur kaum ansteigt. Der Regler 25 erkennt dies und setzt bei Überschreiten der voreingestellten Differenz die elektrische Heizung 20 in Betrieb. Die Temperatur der Restflüssigkeit 21 steigt daraufhin soweit an, bis der Gesamtdruck im Hohlraum 24 das Überdruckventil 28 zur Umgebung leicht öffnet und das Inertgas aus der Inertgas-Falle auspresst. Der nachströmende Wasserdampf kondensiert augenblicklich auch im kälteren, oberen Bereich aus und erhöht die Temperatur am oberen Temperaturfühler 23. Die Differenz im Regler 25 fällt unter den unteren Sollwert und schaltet die Heizung 20 wieder ab. Der Hohlraum 24 ist nunmehr frei von Inertgas und kann ab der folgenden Desorptionsphase wieder Inertgas ansammeln bis irgendwann wieder der Regler 25 anspricht und die Austragung von Inertgas veranlasst.
  • Fig. 3 zeigt schließlich eine weitere, kostengünstige Inertgas-Falle für ein einfaches Sorptionssystem 1 mit dem Stoffpaar Zeolith-Wasser. Innerhalb eines gasdichten Zylinders 30 befindet sich im oberen Bereich eine Zeolithfüllung 31, die von einem mit Wärmeträgerkreislauf 32 beheizt und gekühlt wird. Im unteren Bereich ist ein Wärmetauscher 33 angeordnet, der während der Desorptionsphase Wärme aufnimmt und während der Adsorptionsphase Wärme an das ihn umgebende, verdampfende Wasser 34 abgibt. Der Wasserstand 35 schwankt somit innerhalb eines minimalen und maximalen Füllstands, je nachdem in welchem Betriebszustand sich das Sorptionssystem gerade befindet. Die Inertgas-Falle ist ebenfalls innerhalb des Zylinders 30 angeordnet. Ihr Hohlraum 36 wird teilweise von dem gasdichten Zylinder 30 begrenzt und hat somit eine Kühlfläche 37 nach außen. Über diese Kühlfläche 37 kann der in den Hohlraum einströmende Wasserdampf kondensieren und die Strömung aufrechterhalten werden. Die anderen Grenzflächen 38 des Hohlraumes 36 zeigen nach innen. Im untersten Teil des Hohlraumes 36 befindet sich eine Bohrung 39, die etwas oberhalb des maximalen Füllstandes 35 mündet. Die Bohrung 39 kann hohlraumseitig von einem flexiblen Sauger 40, der am unteren Ende des Schwimmkörpers 41 befestigt ist, verschlossen werden. Im oberen Bereich des Hohlraumes 36 befindet sich ein Reaktionsmittel 42 zur chemischen Bindung von Kohlendioxid, der Hauptkomponente des separierten Inertgases. Im Reaktionsmittel 42 enthaltener Atemkalk reagiert mit Kohlendioxid zu nicht löslichem Kalziumkarbonat (CaCO3) unter Abgabe eines Wassermoleküls. Der Hohlraum 36 selbst hat kein Austrittsventil, da das Hohlraumvolumen ausreichend bemessen ist.
  • Zur Erstinbetriebnahme des Systems, bei welcher der Zylinder 30 samt Hohlraum 36 evakuiert werden muss, wird der Zylinder 30 gekippt, damit der Schwimmer 41 die Bohrung 39 zum Evakuieren frei geben kann. Nach dem Evakuieren wird der Zylinder 30 wieder in den Betriebszustand zurück gestellt. Der Hohlraum 36 ist jetzt bereit zur Pufferung von Inertgasen.

Claims (14)

  1. Inertgas-Falle für geschlossene Sorptionssysteme (1) die ein Arbeitsmittel (12, 34) enthalten, das von einem festen Sorptionsmittel (31) dampfförmig periodisch sorbiert wird, sowie einen Verflüssiger (6), zur Verflüssigung von Arbeitsmitteldampf,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    im Bereich des Verflüssigers (6) ein Hohlraum (13, 24, 36) zur Pufferung für Inertgas angeschlossen ist und der Hohlraum (13, 24, 36) im unteren Bereich ein Eingangsventil (19) enthält und dass
    das Eingangsventil (19) hohlraumseitig immer mit flüssigem Arbeitsmittel für rückströmendes Inertgas blockiert ist.
  2. Inertgas-Falle nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Hohlraum (13, 24, 36) im oberen Bereich über ein Austrittsventil (18, 28) verfügt, über welches das im Hohlraum (13, 24, 36) separierte Inertgas bei Bedarf entfernt werden kann.
  3. Inertgas-Falle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    das Eingangsventil (19) einen Schwimmkörper (14, 27, 41) und eine Ventildichtung enthält und dass
    der Schwimmkörper (14, 27, 41) auf flüssigem Arbeitsmittel schwimmt und im schwimmenden Zustand das Eingangsventil (19) offen ist.
  4. Inertgas-Falle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    das Austrittsventil (18, 28) als Überdruckventil ausgeführt ist, das bei Überdruck innerhalb des Hohlraums (13, 24, 36) gegenüber dem äußeren Luftdruck öffnet und im Hohlraum (13, 24, 36) angesammelte Inertgase zusammen mit dem ausströmenden Arbeitsmitteldampf durch das Überdruckventil ausblasen lässt.
  5. Inertgas-Falle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    das Austrittsventil (18, 28) als Evakuierungsventil ausgeführt ist, über welches das Sorptionssystem (1) während der Erstinbetriebnahme evakuiert werden kann.
  6. Inertgas-Falle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Inertgas-Falle über eine Heizung (20) verfügt, über welche das im Bereich des Eingangsventils (19) verbleibende, flüssige Arbeitsmittel so weit erhitzt werden kann, bis innerhalb des Hohlraumes (13, 24, 36) gegenüber dem äußeren Luftdruck ein Überdruck entsteht.
  7. Inertgas-Falle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    der Hohlraum (13, 24, 36) am unteren Bereich und am oberen Bereich jeweils einen Temperaturfühler (22, 23) aufweist und die Temperaturdifferenz der Temperaturfühler zur Ansteuerung der Heizung (20) dient.
  8. Inertgas-Falle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    an das Austrittsventil (18, 28) eine Vakuumpumpe anschließbar ist, mit deren Hilfe die Inertgase aus dem Hohlraum (13, 24, 36) bei Bedarf abgepumpt werden können.
  9. Inertgas-Falle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vakuumpumpe mechanisch betätigbar ist und der Antrieb durch die Betätigung eines am Gesamtsystem ohnehin notwendigen Bauteils, insbesondere einer Tür oder Klappe, erfolgt.
  10. Inertgas-Falle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    der Hohlraum (13, 24, 36) einen Reaktionsstoff (42) zur Bindung eines oder mehrerer Inertgase enthält.
  11. Verfahren zur Separation von Inertgas aus einem geschlossenen Sorptionssystem (1) bei welchem ein mit Arbeitsmittel (12, 34) beladenes Sorptionsmittel (31) erhitzt wird und der dabei abströmende Arbeitsmitteldampf Inertgase aus dem Bereich des Sorptionsmittels (31) mitreißt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Arbeitsmitteldampf ein Eingangsventil (19), das einen Schwimmkörper (14, 27, 41) enthält, öffnet und zusammen mit dem mittransportierten Inertgas in einen dahinterliegenden Hohlraum (13, 24, 36) einströmt und das Arbeitsmittel dort mindestens teilverflüssigt und dass
    bei abfallendem Arbeitsmitteldampfdruck im Sorptionsmittel (31) flüssiges Arbeitsmittel solange aus dem Hohlraum (13, 24, 36) durch den auf flüssigem Arbeitsmittel (21) schwimmenden Schwimmerkörper (14) zurückfließt, bis das flüssige Arbeitsmittel (21) größtenteils aus dem Hohlraum (13, 24, 36) zurück in das Sorptionssystem (1) geflossen ist und dass
    das Eingangsventil (19) schließt, bevor das im Hohlraum (13, 24, 36) angesammelte Inertgas in das Sorptionssystem (1) rückströmen kann.
  12. Verfahren zur Separation von Inertgas aus einem geschlossenen Sorptionssystem (1) nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zum Entfernen von Inertgas aus dem Hohlraum (13, 24, 36) flüssiges Arbeitsmittel (21) im Bereich des Eingangsventils (19) erhitzt wird, bis der Gesamtdruck innerhalb des Hohlraumes (13, 24, 36) groß genug ist, ein Überdruckventil (18, 28) zu öffnen und dass
    der in die Umgebung abströmende Arbeitsmitteldampf das Inertgas mitreißt.
  13. Verfahren zur Separation von Inertgas aus einem geschlossenen Sorptionssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Beheizung des flüssigen Arbeitsmittels (21) innerhalb des Hohlraumes (13, 24, 36) dann erfolgt, wenn eine merkliche Temperaturdifferenz zwischen dem unteren und dem oberen Bereichs des Hohlraumes (13, 24, 36) auftritt.
  14. Verfahren zur Separation von Inertgas aus einem geschlossenen Sorptionssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Temperaturdifferenz zwischen 20 und 90 K und vorzugsweise zwischen 30 und 50 K liegt.
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