EP3486582B1

EP3486582B1 - Vorrichtung zur leckageerkennung mittels adsorber

Info

Publication number: EP3486582B1
Application number: EP18200683.3A
Authority: EP
Inventors: Tobias Lingk; Hans-Josef Spahn; Thomas-Friedrich Szuder; Thomas Badenhop
Original assignee: Vaillant GmbH
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 2017-11-16
Filing date: 2018-10-16
Publication date: 2020-04-08
Anticipated expiration: 2038-10-16
Also published as: HRP20201026T1; DE102017126952A1; ES2804267T3; PT3486582T; PL3486582T3; EP3486582A1; DK3486582T3

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 und Gewerbebetriebe 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.
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.
Der Einsatz dieser Kältemittel wurde aus diesem Grund Restriktionen unterworfen, in der Europäischen Union beispielsweise durch die F-Gas-Verordnung (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.

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.
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,

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,

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/m³ 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/m³ stellen sich narkotische Effekte, Kopfschmerzen und Übelkeit ein. Dies betrifft Personen, die ein erkanntes Problem vor Ort lösen sollen, noch bevor Explosionsgefahr entsteht.
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.
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.
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.
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.
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. Des Weiteren offenbart die DE 195 25 064 C1 eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die DE 10 2015 221 328 A1 beschreibt ein mobiles System und ein Verfahren zum Auslassen von Kühlmittel von einem Klimaanlagensystem in einer KFZ-Werkstatt. Hierbei erfasst eine Waage das Gewicht der Abgabeeinheit, um die Kältemittelmenge beim Befüllen exakt zu bestimmen. Das System ist aber nicht geeignet, im KFZ selbst mitgeführt zu werden und während des Betriebs einen leckagebedingten Kältemittelverlust zu messen.
Die EP 3 106 780 A1 beschreibt eine Wärmepumpenanlage, die in einem mit einem Bindemittel ausgekleideten, luftdichten Gehäuse untergebracht ist. Innerhalb dieses Gehäuses kann eine Adsorptionseinheit mit einer Zwangslüftung angeordnet sein, die im Umluftbetrieb die Luft im Gehäuse reinigt. Dieser Umluftbetrieb kann kontinuierlich oder nur im Störfall oder in regelmäßigen Intervallen erfolgen. Stromab dieser Sorptionsstufe kann auch ein Zündbrenner, eine Pilotflamme, ein katalytischer Brenner oder ein Heizdraht angeordnet sein, der ggf. restliche brennbare Verunreinigungen verbrennt. Ebenfalls denkbar ist eine Frischluftzufuhr in Verbindung mit der Ableitung gereinigter Abluft.
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.

Die Anforderungen schließen sich zumeist gegenseitig aus und erzeugen außerdem Zielkonflikte in großer Zahl. Die Aufgabe der Erfindung ist daher, die Zielkonflikte aufzulösen und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche die dargestellten Probleme sicher löst.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Es handelt sich um 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 und weitere Einrichtungen umfassen kann, wobei
insbesondere das Gehäuse im unteren Teil konisch zuläuft, wobei
am unteren Ende des Gehäuses, insbesondere des Konus, ein Fluidstrom aus dem Gehäuseinneren abgesaugt wird,
dieser Fluidstrom durch einen Adsorber geleitet wird, in welchem ein Adsorbens durchströmt wird, welches etwaige Anteile des Fluidstroms an entzündlichem Arbeitsfluid adsorbiert,
der Adsorber von einer Messvorrichtung gehalten wird, die das Gewicht des Adsorbers misst, und
die Messvorrichtung bei einem Gewichtsanstieg ein Leckagesignal ausgibt, und
der Adsorber an einem biegsamen Hebel aufgehängt wird, der mit Dehnmessstreifen versehen ist.

Als Wärmeübertragerfluide sind hier alle gasförmigen oder flüssigen Medien zu verstehen, mit denen Wärme übertragen wird, also etwa Luft, Wasser, Sole, Wärmeträgeröle oder dergleichen.
Die bekannten Adsorptionsvorrichtungen sind zwar meist in der Lage, kleine Leckageverluste aufzunehmen, es bedarf jedoch eines weiteren zuverlässigen Leckageerkennungssystems, um überhaupt festzustellen, wenn eine Leckage vorliegt und inwieweit die Adsorptionsvorrichtung bereits mit Arbeitsfluid beladen ist. Dies ist gerade bei kleinen Leckagen, die die Mehrzahl der Leckagen darstellen, besonders schwierig, da solche Leckagen manchmal nur bei bestimmten Betriebszuständen auftreten und der Verlust an Arbeitsfluid sehr langsam abläuft. So kann es mitunter Monate dauern, bis ein solcher Verlust entdeckt wird, weil die Anlagenleistung mangels ausreichendem Arbeitsfluid absinkt.
Die Messung von Gewicht und Beladung des Adsorbers im Betrieb ist schwierig und zählt nicht zum verfügbaren Stand der Technik. Sofern als Arbeitsfluid Propan und als Adsorptionsmittel Aktivkohle verwendet werden, muss bei den geringen Partialdrücken, wie sie bei kleinen Leckagen in der Gehäuseinnenluft auftreten, mit nur geringen Beladungen an Propan auf Aktivkohle gerechnet werden. Es handelt sich daher bei den Absolutgewichts-Messungen um höhere Gewichte, da sie die Aktivkohle und die apparativen Umschließungen mitmessen, und bei denen von Gewichtsdifferenzen um Werte im Promillebereich. Gleichzeitig muss die Adsorptionsvorrichtung fest mit Leitungen angeschlossen sein, die ihrerseits keine Leckagen zulassen. Schwingungen und Temperaturschwankungen erschweren die Interpretation der Messungen zusätzlich.
Vorliegend wird die Messung so ausgeführt, dass der Adsorber an einem Hebel aufgehängt wird, der mit Dehnmessstreifen ausgestattet ist. Diese Vorrichtung wird im Folgenden als "Messhebel" bezeichnet. Vorzugsweise dient dieser Messhebel gleichzeitig als Fluidanschluss und ist als fluiddurchströmtes Hohlprofil ausgeprägt. Seine Elastizität bewirkt aufgrund der Durchbiegung eine Dehnung der Dehnmesstreifen. Sofern eine Beladung mit Propan stattfindet, bewirkt die Beladung eine Verstärkung der Gewichtskraft über den Hebel und somit eine stärkere Durchbiegung aufgrund der Hebelwirkung.
In einer Ausgestaltung der Erfindung enthält der Hebel die Zuleitung und die Rückleitung zum Adsorber. Beispielsweise können hierzu miteinander parallel verbundene Rechteckrohre dienen, auf deren Oberseite die Dehnmessstreifen aufgebracht sind.
Die Zwangsdurchströmung des Adsorbers kann kontinuierlich oder innerhalb vorbestimmter Zeitscheiben durch ein Fördergebläse erfolgen, das Fördergebläse kann saugseitig oder druckseitig angeordnet sein. Es ist dabei vorteilhaft, wenn es dabei nicht mitgewogen werden muss. Allerdings stellt sich dann das Problem, dass der Druckverlust, den die Durchströmung durch den Adsorber jeweils verursacht, die Gewichtskraftmessung beeinflusst, indem das Produkt aus Druckverlust und Querschnittsfläche bei vertikaler Druchströmung eine Kraft parallel zur Gewichtskraft bewirkt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird daher vorgesehen, dass der Adsorber horizontal durchströmt wird. In diesem Fall wirkt sich der Strömungswiderstand nicht auf die Gewichtskraft des Adsorbers aus, da die beiden Kräfte senkrecht zueinander stehen. Die horizontale Durchströmung lässt sich günstig durch eine Wabenbauweise des Adsorbers umsetzen.
Um eine anfängliche Beladung mit Arbeitsfluid wie zum Beispiel Propan besser erkennen zu können, ist es zweckmäßig, den Adsorber von hinten nach vorne zu durchströmen, wobei sich die Richtungsangaben auf die relative Lage zum Hebel, an dem der Adsorber aufgehängt ist, und an dem sich die Dehnmessstreifen befinden, bezieht. Das Zusatzgewicht durch die Anfangsbeladung wirkt dann mit einem größeren Hebel.
Sofern eine Anfangsbeladung gemessen wird, ist es sinnvoll, den Durchsatz durch den Adsorber zu erhöhen. Aus diesem Grund wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ein Fördergebläse vorgesehen, welches mindestens eine Einstellung für eine geringe Fördermenge und eine weitere Einstellung für eine höhere Fördermenge aufweist.
Um sicherzustellen, dass in einem solchen Fall die Adsorption auch während eines Stromausfalls fortgesetzt werden kann, wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Fördergebläse mit einem Akku verbunden ist, der eine solche Reserveenergiemenge speichert, dass damit ein kontaminierter Luftstrom bis zur vollständigen Beladung des Adsorbers ohne Inanspruchnahme von Fremdenergie durch den Adsorber gefördert werden kann.
Im Falle einer schnellen Adsorption aufgrund einer größeren Leckage wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Adsorber mit einem Latentwärmespeicher ausgestattet ist, der die Adsorptionswärme im Falle einer schnellen Beladung mit Kältemittel aufnehmen kann.
Je nach Größe des Adsorbers ist es möglich, den Adsorber innerhalb des Gehäuses oder außerhalb des Gehäuses anzuordnen. Im Falle einer Anordnung außerhalb das Gehäuses ist ausreichend Brandschutz sicherzustellen, da beispielsweise mit Propan beladene Aktivkohle brennbar ist. Für andere entzündliche Arbeitsfluide und Adsorbentien gilt dies analog. Hierbei wird vorgesehen, dass der Adsorber mit einer intumeszierenden Beschichtung versehen ist, die im Falle eines externen Brandes den Adsorber vor Hitzeeinwirkung schützt und so eine Desorption des gespeicherten Kältemittels oder eine Havarie des Adsorbers sicher verhindert.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Adsorber als auswechselbare Kartusche ausgeführt, dies ist vor allem dann vorzuziehen, wenn der Adsorber innerhalb des Gehäuses angeordnet wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Gehäuse im unteren Teil als Konus ausgeführt. Herabsinkendes Propan kann so gezielter abgesaugt werden, falls das Gehäuse und deren Einbauten Zirkulation und Diffusion erschweren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand dreier Beispielsskizzen näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1: eine Prinzipskizze eines außerhalb des Gehäuses angeordneten Adsorbers
Fig. 2: eine Prinzipskizze eines innerhalb des Gehäuses angeordneten Adsorbers
Fig. 3: eine konstruktive Möglichkeit des Hebels mit den Dehnmessstreifen auf der Zuführ- und Rückführleitung

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze eines Kältekreises 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 Kältekreis 1 wird in diesem Beispiel mit dem entzündlichen Arbeitsfluid Propan, welches auch unter der Bezeichnung R290 bekannt ist, betrieben. Propan ist schwerer als Luft, daher sinkt es im Falle einer Leckage im Kältekreis 1 tendenziell im Gehäuse 6 nach unten.
Aus diesem Grund ist die Unterseite des Gehäuses 6 als Sammeltrichter 11 ausgeführt. Bei diesem Sammeltrichter 11 muss es sich weder um einen achsensymmetrischen Aufbau noch konstruktiv um ebene Wände handeln, notwendig ist lediglich, das das Gas ohne Verwirbelungen nach unten zu einem tiefsten Punkt sinken kann.
Dort ist ein Belüftungsauslass 12 vorgesehen, bei dem das eventuell vorhandene Luft-Propan-Gemisch abgezogen werden kann. Konstruktiv ist dieser Belüftungsauslass mit entsprechenden, hier nicht gezeigten Absperreinrichtungen ausgestattet und üblicherweise mit einem flexiblen Schlauch angeschlossen, der mit dem Adsorberanschluss 13 des Adsorbers 14 verbunden wird. Der Belüftungsauslass 12 wird dabei so ausgeführt, dass keine oder nur bekannte und konstante Kräfte auf den Adsorberanschluss einwirken.
Der Adsorber 14 ist typischerweise doppelwandig ausgeführt. Im gezeichneten Beispiel wird das eintretende Propan-Luftgemisch zunächst im Außenraum zum einen Ende geführt, wo eine Strömungsumlenkung 15 erfolgt. Das Propan-Luftgemisch tritt dann in das Adsorberfestbett 16 ein und durchströmt es in Gegenrichtung. Hierbei wird das Propan auf dem Adsorberfestbett, welches als Aktivkohle-Wabenkörper ausgeführt sein kann, abgeschieden. Das abgeschiedene Propan führt am Ort der Abscheidung zu einer geringfügigen Gewichtszunahme aufgrund der Beladung des Adsorberfestbettes.
Die von Propan befreite Luft tritt am Anschlussstutzen 17 für die Messeinrichtung in die als Messhebel 18 ausgeführte Adsorberaufhängung ein und wird hindurchgeleitet. Der Messhebel ist dabei typischerweise ein dünnwandiges, biegsames Rohrstück, vorzugsweise aus einem Rechteckprofil. Auf dessen Oberseite sind Dehnmessstreifen 19 angebracht, die bei Durchbiegung ein dieser Durchbiegung proportionales Signal liefern. Die Gewichtszunahme des Adsorberfestbetts 16 liefert auf diese Weise einen Hinweis auf eine Leckage, die Geschwindigkeit der Gewichtszunahme einen Hinweis auf die Größe der Leckage. Gleichzeitig wird durch die Adsorption der Propangehalt in der Luft verringert, was die Zündfähigkeit des Propan-Luftgemischs verhindert, was ein Vorteil dieser Methode der Leckageerkennung ist.
Der Messhebel 18 ist an einer Anschlussbox 20 fixiert, die wiederum jeweils ein Festlager für Vertikalkräfte 21 und ein Festlager für Horizontalkräfte 22 aufweist. Die beiden Festlager sind gegen Schwingungen geschützt und nehmen die Kräfte des Adsorbers 14 auf. In der Anschlussbox können ebenfalls Dehnmessstreifen vorgesehen werden, die die Torsion messen. Oberhalb der Anschlussbox ist der Lüfter 23 für die Rückleitung 24 vorgesehen, der die gereinigte Luft in den oberseitigen Belüftungseinlass 25 in das Gehäuse 6 zurückführt.
Die gesamte Adsorptions- und Messeinrichtung kann von einem eigenen Gehäuse 26 umschlossen werden, welches mit einer Brandschutzauskleidung 27 ausgestattet ist. Diese Brandschutzauskleidung 27 kann beispielsweise eine intumeszierende Beschichtung sein, die im Falle einer externen Hitzequelle aufschäumt und den Inhalt eine Zeitlang vor Hitzeeinwirkung abschirmt. Zusammen mit der doppelwandigen Ausführung des Adsorbers 14 kann so im Brandfall verhindert werden, dass sich das beladene Adsorberfestbett 16 entzündet, was ein weiterer Vorteil dieser Methode ist.
Zur Darstellung in Fig. 1 ist zu vermerken, dass es sich nicht um eine maßstabsgerechte Darstellung handelt. Je nachdem, wieviel Propan abgeschieden werden soll bzw. ob weitere Maßnahmen zur Sicherung vorgesehen sind, kann die gesamte Adsorptionsvorrichtung relativ kompakt gebaut werden und nimmt typischerweise einen Rauminhalt von ein bis sechs Litern ein, wenn eine Propanmenge von ca. 50 Gramm abscheidbar sein soll.
Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Darstellung für eine Bauweise des Adsorbers innerhalb des Gehäuses 6. Hier kann der Adsorber 28 ohne Doppelwandigkeit ausgeführt werden und er benötigt auch weder eigenen Brandschutz noch eine Strömungsumlenkung. Statt dessen befindet sich eine Ansaugöffnung 29 in der Nähe des tiefsten Punktes des Gehäuses und das abgesaugte Propan-Luftgemisch wird über Strömungsgleichrichter 30 direkt in das Adsorberfestbett 16 eingeleitet. Der nachfolgende Aufbau ist dem in Fig. 1 gleich, nur das Fördergebläse 23 entlüftet direkt in den Innenraum des Gehäuses.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch den Messhebel 18 und auf den darauf angebrachten Dehnmessstreifen 19. Indem der Messhebel auf Biegung belastet wird, dehnt sich der Dehnmessstreifen und gibt ein entsprechendes Signal ab. Da die Temperatur unterschiedlich sein kann, sollte der Dehnmessstreifen temperaturkompensiert sein.

Bezugszeichenliste

1: Kältekreis
2: Verdichter
3: Kondensator
4: Druckreduzierung
5: Verdampfer
6: Gehäuse
7: Wärmequellen-Anschluss
8: Wärmequellen-Vorlauf
9: Wärmesenken-Vorlauf
10: Wärmesenken-Anschluss
11: Sammeltrichter
12: Belüftungsauslass
13: Adsorberanschluss
14: Adsorber
15: Strömungsumlenkung
16: Adsorberfestbett
17: Anschlussstutzen für Messeinrichtung
18: Messhebel
19: Dehnmessstreifen
20: Anschlussbox
21: Festlager Vertikalkräfte
22: Festlager Horizontalkräfte
23: Lüfter
24: Rückleitung
25: Belüftungseinlass
26: Gehäuse
27: Brandschutzauskleidung
28: Adsorber
29: Ansaugöffnung
30: Strömungsgleichrichter

Claims

Vorrichtung zur sicheren Durchführung eines linksdrehenden thermodynamischen Clausius-Rankine-Kreisprozesses (1) 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 (2) für Arbeitsfluid,

- mindestens eine Entspannungseinrichtung (4) für Arbeitsfluid,

- mindestens zwei Wärmeübertrager (3, 5) für Arbeitsfluid mit jeweils mindestens zwei Anschlüssen (7, 8, 9, 10) für Wärmeüberträgerfluide,

- ein geschlossenes Gehäuse (6), welches alle am geschlossenen Arbeitsfluidumlauf angeschlossenen Einrichtungen umfasst und weitere Einrichtungen umfassen kann,
wobei
- am unteren Ende des Gehäuses ein Fluidstrom aus dem Gehäuseinneren abgesaugt wird,

- dieser Fluidstrom durch einen Adsorber (14) geleitet wird, in welchem ein Adsorbens durchströmt wird, welches etwaige Anteile des Fluidstroms an entzündlichem Arbeitsfluid adsorbiert, dadurch gekennzeichnet, dass

- der Adsorber von einer Messvorrichtung (18) gehalten wird, die das Gewicht des Adsorbers (14) misst, und

- die Messvorrichtung bei einem Gewichtsanstieg ein Leckagesignal ausgibt, und

- der Adsorber (14) an einem biegsamen Hebel (18) aufgehängt wird, der mit Dehnmessstreifen (19) versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Adsorber ein Festbett (16) aufweist und horizontal durchströmt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der biegsame Hebel gleichzeitig als Fluidanschluss dient und als fluiddurchströmtes Hohlprofil ausgeprägt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der biegsame Hebel (18) nebeneinander sowohl die Zuleitung als auch die Rückleitung zum Adsorber (14) enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fördergebläse (23) vorgesehen wird, welches mindestens eine Einstellung für eine geringe Fördermenge und eine weitere Einstellung für eine höhere Fördermenge aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fördergebläse (23) mit einem Akku verbunden ist, der eine solche Reserveenergie speichert, dass damit ein kontaminierter Luftstrom bis zur vollständigen Beladung des Adsorbers ohne Inanspruchnahme von Fremdenergie durch den Adsorber (14) gefördert werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fördergebläse (23) den Adsorber (14) ständig mit einem geringen Luftstrom beaufschlagt und nach Anliegen eines Leckagesignals auf eine höhere Fördermenge umschaltet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Adsorber (14) mit einem Latentwärmespeicher ausgestattet ist, der die Adsorptionswärme im Falle einer schnellen Beladung mit Kältemittel aufnehmen kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Adsorber (14) innerhalb des Gehäuses (6), welches alle am geschlossenen Arbeitsfluidumlauf angeschlossenen Einrichtungen umfasst, angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Adsorber (14) außerhalb des Gehäuses (6), welches alle am geschlossenen Arbeitsfluidumlauf angeschlossenen Einrichtungen umfasst, angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Adsorber doppelwandig ausgeführt ist und das zuströmende Fluid zuerst den äußeren Hohlraum durchfließt und danach im Innenraum durch das Festbett (16) geleitet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Adsorber mit einer intumeszierenden Beschichtung versehen ist, die im Falle eines externen Brandes den Adsorber vor Hitzeeinwirkung schützt und so eine Desorption des gespeicherten Kältemittels verhindert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Adsorber (14) als auswechselbare Kartusche ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse im unteren Teil (11) konisch zuläuft.