EP3543629B1 - Leckagedichtes gehäuse für einen kreisprozess - Google Patents

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EP3543629B1
EP3543629B1 EP19159310.2A EP19159310A EP3543629B1 EP 3543629 B1 EP3543629 B1 EP 3543629B1 EP 19159310 A EP19159310 A EP 19159310A EP 3543629 B1 EP3543629 B1 EP 3543629B1
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EP
European Patent Office
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working fluid
housing
pressure
closed
tight
Prior art date
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EP19159310.2A
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English (en)
French (fr)
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EP3543629A1 (de
Inventor
Tobias Lingk
Hans-Josef Spahn
Thomas-Friedrich Szuder
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Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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Publication date
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    • 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
    • F25B49/00—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F25B49/005—Arrangement or mounting of control or safety devices of safety devices
    • 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
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/12—Inflammable refrigerants
    • 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
    • F25B2500/00—Problems to be solved
    • F25B2500/01—Geometry problems, e.g. for reducing size
    • 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
    • F25B2700/00—Sensing or detecting of parameters; Sensors therefor
    • F25B2700/19—Pressures
    • 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
    • F25B2700/00—Sensing or detecting of parameters; Sensors therefor
    • F25B2700/21—Temperatures
    • F25B2700/2104—Temperatures of an indoor room or compartment

Definitions

  • the invention relates to irregular conditions in working fluid circulation, in which a working fluid acting as a refrigerant is guided in a thermodynamic cycle, such as the Clausius-Rankine cycle.
  • thermodynamic cycle such as the Clausius-Rankine cycle.
  • These are primarily heat pumps, air conditioning systems and cooling devices that are commonly used in residential buildings.
  • Residential buildings are understood to be private houses, rental house complexes, hospitals, hotels, restaurants and combined residential and commercial buildings in which people live and work permanently, in contrast to mobile devices such as vehicle air conditioning systems or transport boxes, or even industrial facilities or medical devices. What these cycles have in common is that they use energy to generate useful heat or cold and form heat displacement systems.
  • thermodynamic cycle processes used have been known for a long time, as have the safety problems that can arise when using suitable working fluids. Aside from water, the most well-known working fluids at the time were flammable and toxic. In the last century, they led to the development of safety refrigerants made from fluorinated hydrocarbons. However, it turned out that these safety refrigerants damage the ozone layer, lead to global warming, and that their safety-related harmlessness led to design carelessness. Up to 70% of sales were attributable to the need to refill leaky systems and their leakage losses, which were accepted as long as this was perceived to be economically justifiable in individual cases and promoted the need for replacement procurement.
  • the problems that arise in the safety design of such systems are discussed in the WO 2015/032905 A1 clearly described.
  • the lower ignition limit of propane as a working fluid is approximately 1.7 percent by volume in air, which corresponds to 38 g/m 3 in air. If the cooling process is carried out in a surrounding, hermetically sealed, but otherwise air-filled space with the working fluid propane, the problem arises of detecting a critical, explosive situation after a malfunction in which the working fluid escapes into this hermetically sealed space.
  • Electrical sensors for detecting critical concentrations are difficult to design in an explosion-proof manner, which is why propane detection by the sensors themselves significantly increases the risk of explosion, with the exception of infrared sensors.
  • Propane is also toxic; inhalation above a concentration of approx. 2 g/m 3 causes narcotic effects, headaches and nausea. This applies to people who are supposed to solve an identified problem on site before the risk of explosion arises.
  • Propane is also heavier than air, so it sinks to the ground in still air and accumulates there. If some of the propane collects in a low-flow zone of the enclosed space in which the faulty unit is located, the local explosion limits can be reached much faster than would be expected from the quotient of the total volume of the room to the amount of propane that has escaped.
  • the WO 2015/032905 A1 seeks to solve this problem by integrating a generator for electrical current into the opening or its locking of this room and, when activated, in a first step generates and provides the electrical energy with which the sensor is activated and which in the event of an alarm The lock then does not release, but rather causes the locked room to be ventilated, and only allows unlocking and opening in a second step.
  • the DE-PS 553 295 describes an encapsulated compression refrigeration machine in which the refrigerant compressor 1, its drive motor 2, evaporator 3, condenser 4 and control valve 5 are enclosed in a double-walled capsule 6 or 7. A negative pressure is created in the space between the double-walled capsule and leaks that could occur at the openings for cooling water and brine are sucked out. The extracted working fluid can then be recovered if necessary. It should be noted that there is no ambient air within the encapsulated space and cannot penetrate into the encapsulated interior due to the negative pressure in the double jacket.
  • the DE 41 14 529 A1 describes a safety device for a refrigeration system filled with a dangerous medium, which consists of at least one complete refrigeration unit that includes a refrigerant circuit with an evaporator, compressor and condenser, as well as a drive motor.
  • the system is enclosed in a gas-tight manner, whereby the enclosure is designed according to the maximum pressure technically possible in the event of a fault, and the connections for the refrigerant, a coolant and electrical supply, monitoring and control lines are led out of the enclosure in a pressure-tight manner.
  • An expansion tank may be connected.
  • the EP 1 666 287 describes a vehicle air conditioning system with a collecting container for the refrigerant, which is connected to a gas-liquid separator via an externally controllable valve.
  • a pressure detection device By means of a pressure detection device, the valve can be closed when the detected pressure becomes equal to a predetermined pressure.
  • the signal to open the valve can be provided by leakage detection.
  • the object of the invention is therefore to provide a simple, easy-to-assemble and maintenance-free device for heating or air conditioning, which solves the problems presented better and no longer has the disadvantages.
  • the invention solves this problem by a device for the safe implementation of a left-hand thermodynamic Clausius-Rankine cycle and its safe emptying and filling by means of a flammable working fluid, which is guided in a closed, hermetically sealed working fluid circulation (1), having at least one compressor (2 ) for working fluid, at least one expansion device (4) for working fluid, at least two heat exchangers (3, 5) for working fluid, each with at least two connections (7, 8, 9, 10) for heat transfer fluids, a closed, gas-tight and pressure-resistant housing (6) , - which includes all devices connected to the closed working fluid circulation (1) as well as pressure-tight connections, also for electrical signal lines and electrical power supply to the outside of the housing, the housing (6) has at least one connection for adjusting the internal pressure, inside the housing (6) Pressure and temperature measuring devices are provided.
  • the housing is designed according to the maximum pressure technically possible in the event of an accident and is tubular. According to the invention, the housing is under Vacuum is maintained and the length-to-di
  • pressure-resistant pipes are comparatively light and can be well sealed with flange connections at the ends using known means.
  • a stainless steel pipe designed for 50 bar with a wall thickness of 4 millimeters and a diameter of 0.2 meters only weighs around 22 kg per running meter. Even with built-ins, such a device with a length of 1 meter to 1.60 meters can be easily transported and set up up stairs by two people. In one embodiment of the invention it is therefore provided that the length-to-diameter ratio is between 5 and 8.
  • U-tube heat exchanger bundles are preferably used here, in which the heat transfer fluids are guided, while the evaporation and condensation processes take place in the external space, which is preferably designed in the shape of a pot. This arrangement also prevents filling and emptying.
  • a safety valve can be provided which leads into a pipe whose outlet leads to the outside.
  • a pipe can have a small diameter, for example 10 or 12 millimeters, which allows it to be installed in a disused chimney.
  • a vacuum is created in the interior to prevent an ignitable mixture from forming in the event of a leak.
  • a leak can also be detected by an increase in pressure.
  • the design can also be similar to filter cartridges, which are simply replaced at regular intervals instead of on-site maintenance and, like a deposit system, taken to a collection point for processing can be submitted.
  • Fig. 1 shows a schematic sketch of a working fluid circulation 1 with a compressor 2, a condenser 3, a pressure reduction 4 and an evaporator 5 in a closed housing 6.
  • the housing 6 has a heat source connection 7, a heat source flow 8, a heat sink flow 9 and a heat sink connection 10.
  • the working fluid circulation 1 is in this example with the flammable working fluid propane, which is also known as R290. No fittings such as shut-off devices are shown; the specialist will of course provide these and non-return protection devices.
  • the device can be emptied into the open 14 via the emergency extractor 11, the safety valve 12 and the check valve 13.
  • the temperature and pressure control can be done using the pressure/temperature measurement 16.

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  • Other Air-Conditioning Systems (AREA)

Description

  • 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.
  • 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 Verdampfer 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,
    wobei diese Aufzählung nicht vollständig ist.
  • 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.
  • 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 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.
  • 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.
  • 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 Sorbenzien 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 Systeme sollen einerseits gegen Störungen gesichert sein, gleichzeitig aber zuverlässig laufen können, wenigstens im Notbetrieb. Im Falle einer vorübergehenden externen Störung sollten die Systeme entweder selbstständig wieder anfahren oder ohne großen Aufwand wiederangefahren werden können.
    • Energieeffizienz: Die Anlagen sollen energetisch günstig betrieben werden können, ein hoher Eigenverbrauch an Energie für Sicherheitsmaßnahmen wirkt dem entgegen.
    • Robustheit: Im Falle größerer Störungen, seien sie extern oder systemintern aufgeprägt, muss die Beherrschbarkeit gewährleistet sein, dies betrifft z.B. Lüftungssysteme, die verstopfen können oder Druckbehälter, die unter Druck stehen oder heiß werden, etwa bei einem Brand.
    • Kosten: Die Sicherheitsmaßnahmen sollen weder bei den Anschaffungskosten noch bei den laufenden Kosten bedeutend sein und die Einsparungen bei den Energiekosten gegenüber herkömmlichen Systemen übersteigen. Sie sollen günstig sein.
  • Im Falle von Nachrüstungen steht oft nur wenig Aufstellungsplatz zur Verfügung, beispielsweise beim Ersatz von Gasthermen in Badezimmern oder an Stellen, die schlecht zugänglich oder eng sind. Oft befindet sich in deren Nähe auch ein alter Kamin, der ins Freie führt und nicht mehr für Abgas genutzt werden soll, aber zur Aufnahme von Leitungen für Arbeitsträgerfluide, Notablassleitungen und Stromkabeln dienen kann.
  • Das Dokument DE 10 2012 112347 A1 offenbart eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist daher, eine einfache, montagefreundliche und wartungsfreie Vorrichtung zur Beheizung oder zur Klimatisierung bereitzustellen, die dargestellten Probleme besser löst und die Nachteile nicht mehr aufweist.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur sicheren Durchführung eines linksdrehenden thermodynamischen Clausius-Rankine-Kreisprozesses sowie seiner sicheren Entleerung und Befüllung mittels eines entzündlichen Arbeitsfluids, welches in einem geschlossenen, hermetisch dichten Arbeitsfluidumlauf (1) 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, gasdichtes und druckbeständiges Gehäuse (6), - welches alle am geschlossenen Arbeitsfluidumlauf (1) angeschlossenen Einrichtungen sowie druckdichte Anschlüsse, auch für elektrische Signalleitungen und elektrische Stromversorgung nach außerhalb des Gehäuses umfasst, das Gehäuse (6) über mindestens einen Anschluss zum Einstellen des Innendrucks verfügt, innerhalb des Gehäuses (6) Druck und Temperaturmessvorrichtungen vorgesehen sind. Gemäß der Erfindung ist das Gehäuse nach dem im Störfall technisch möglichen Höchstdruck ausgelegt und röhrenförmig . Gemäß der Erfindung wird das Gehäuse unter Vakuum gehalten wird und beträgt das Länge-zu Durchmesser-Verhältnis mindestens 3.
  • Ähnliche Technologien sind bereits bekannt geworden. So beschreibt die DE 91 06 051 U1 eine Anlage, die bis auf das Länge-zu-Durchmesserverhältnis die oben genannten technischen Mittel ebenfalls anführt. Bei den zu berücksichtigenden Auslegungsdrücken von mehreren Bar ergab sich jedoch aufgrund von Druckbehälterverordnungen, dass diese druckdichte Bauweise viel zu massiv und schwer wurde und es stellte sich das technische Vorurteil ein, dass eine solche Bauweise grundsätzlich ungünstig, vor allem aber kaum im fertig montierten Zustand transportabel sei.
  • Die Auslegung auf einen sehr hohen Druck, der im Störfall auftreten kann, macht eine derartige Konstruktion bei den üblichen Bauformen sehr schwer und unhandlich. Druckbehälter können dabei deutlich über 100 Kilogramm schwer werden, und eine Wartung, bei der der Druckbehälter aufgeschraubt, abgehoben und nach der Wartung wieder dicht verschlossen werden muss, ist vor Ort damit kaum möglich.
  • Einen anderen Ansatz wählt die DE 10 2014 112 545 A1 , bei der ein Kältemittelkreis-Kompaktaggregat für ein Kraftfahrzeug beschrieben wird. Auch hier wird eine Vorrichtung verwendet, die bis auf das Länge-zu-Durchmesserverhältnis die gleichen technischen Mittel einsetzt, allerdings wird das den Kältekreis umhüllende Gehäuse nicht druckdicht für einen Störfall ausgeführt, sondern bei einem Druckanstieg wird eine Ablassvorrichtung, beispielsweise ein Sicherheitsventil geöffnet, welches in diesem Fall das Kältemittel schnell nach unten unter das Fahrzeug ableitet. Die ansonsten notwendige massive Bauweise wird also dadurch vermieden, dass keine Auslegung auf den höchsten möglichen Druck erfolgt, der im Falle eines Störfalls auftreten könnte. Es versteht sich von selbst, dass eine solche Auslegung in einem Wohnbereich oder in einem Keller nicht akzeptabel sein kann, wohingegen eine besonders massive Bauweise das Gewicht eines Fahrzeugs zu stark erhöhen würde.
  • Weitere Ansätze zeigen die miteinander technisch verwandten DE 102012 112 347 A1 und DE 2013 106 412 A1 auf. Anstatt ein druckdichtes Gehäuse zu verwenden, wird der Kältekreis innerhalb des Gehäuses in ein Medium eingetaucht, welches austretendes Kältemittel binden kann. Auf diese Weise ist es möglich, die bekannten Installationen, etwa hinsichtlich Platten-Wärmetauschern unverändert einzusetzen.
  • Geht man von den typischen Kühlschrank-ähnlichen Maßen ab und verwendet stattdessen ein Rohr, stellt sich das Problem, dass die üblicherweise verwendeten Komponenten nicht mehr passen, das betrifft vor allem Plattenwärmetauscher für Verdampfer und Kondensator, während Verdichter und Drosselungen auch in schmalen Bauformen erhältlich sind.
  • Dafür sind druckbeständige Rohre vergleichsweise leicht und können mit Flanschverbindungen an den Enden mit bekannten Mitteln gut abgedichtet werden. Ein auf 50 bar ausgelegtes Edelstahlrohr mit einer Wandstärke von 4 Millimetern und einem Durchmesser von 0,2 Metern wiegt pro laufendem Meter nur ca. 22 kg. Selbst mit Einbauten kann ein solches Gerät mit einer Länge von 1 Meter bis 1,60 Metern von 2 Personen gut über Treppen transportiert und aufgestellt werden. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird daher vorgesehen, dass das Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis zwischen 5 und 8 beträgt.
  • Weiteren Ausgestaltungen betreffen die verwendeten Wärmeübertrager für Verdampfer und Kondensator. Vorzugsweise werden hier U-Rohr-Wärmetauscherbündel verwendet, in denen die Wärmeüberträgerfluide geführt werden, während die Verdampfungs- und Kondensationsvorgänge im Außenraum, der vorzugsweise in Topfform ausgeführt wird, stattfinden. Diese Anordnung verhindert auch ein Voll- und Leerlaufen.
  • Für Notfälle kann ein Sicherheitsventil vorgesehen werden, welches in eine Leitung führt, deren Auslass ins Freie führt. Eine solche Leitung kann einen kleinen Durchmesser aufweisen, beispielsweise 10 oder 12 Millimeter, was eine Verlegung in einem stillgelegten Kamin ermöglicht.
  • Im Normalbetrieb wird im Innenraum ein Vakuum angelegt, damit wird verhindert, dass im Fall einer Leckage ein zündfähiges Gemisch entsteht. Auch kann in diesem Fall eine Leckage durch einen Druckanstieg erkannt werden.
  • Sofern kleinere Anlagen vorgesehen sind, etwa zum Erzeugen von Warmwasser bei gleichzeitiger Bereitstellung von Klimakälte, kann die Bauweise auch ähnlich zu Filterkartuschen erfolgen, die statt einer Vor-Ort-Wartung einfach in regelmäßigen Abständen ausgetauscht und wie bei einem Pfandsystem zu einer Sammelstelle für eine Aufbereitung abgegeben werden können.
  • Fig. 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 keine Armaturen wie z.B. Absperrorgane, selbstverständlich wird der Fachmann diese sowie Rückschlagsicherungen vorsehen.
  • Die Vorrichtung ist über den Notabzug 11, das Sicherheitsventil 12 und das Rückschlagventil 13 ins Freie 14 entleerbar. Die Temperatur- und Druckkontrolle kann mittels der Druck/ Temperaturmessung 16 erfolgen.
    • Bezugszeichenliste
    • 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
    Notabzug
    12
    Sicherheitsventil
    13
    Rückschlagventil
    14
    Leitung ins Freie
    15
    Vakuumanschluss
    16
    Druck/Temperaturmessung

Claims (5)

  1. Vorrichtung zur sicheren Durchführung eines linksdrehenden thermodynamischen Clausius-Rankine-Kreisprozesses sowie seiner sicheren Entleerung und Befüllung mittels eines entzündlichen Arbeitsfluids, welches in einem geschlossenen, hermetisch dichten Arbeitsfluidumlauf (1) 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, gasdichtes, rohrförmiges und druckbeständiges Gehäuse (6)
    - welches alle am geschlossenen Arbeitsfluidumlauf (1) angeschlossenen Einrichtungen sowie druckdichte Anschlüsse, auch für elektrische Signalleitungen und elektrische Stromversorgung nach außerhalb des Gehäuses umfasst,
    - das Gehäuse (6) über mindestens einen Anschluss zum Einstellen des Innendrucks verfügt,
    - innerhalb des Gehäuses (6) Druck und Temperaturmessvorrichtungen vorgesehen sind.
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - das Gehäuse nach dem im Störfall technisch möglichen Höchstdruck ausgelegt ist, das Gehäuse unter Vakuum gehalten wird und das Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis des rohrförmigen Gehäuses mindestens 3 beträgt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis zwischen 5 und 8 beträgt.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertrager für Arbeitsfluid eine Topfbauform mit U-Form-Rohrbündeln aufweisen.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ablass mit einem Sicherheitsventil vorgesehen wird.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid Propan ist.
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