EP3581861B1 - Fluidsorption - Google Patents

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EP3581861B1
EP3581861B1 EP19167250.0A EP19167250A EP3581861B1 EP 3581861 B1 EP3581861 B1 EP 3581861B1 EP 19167250 A EP19167250 A EP 19167250A EP 3581861 B1 EP3581861 B1 EP 3581861B1
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EP
European Patent Office
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working fluid
pressure
sorption
adsorbent
moulded
Prior art date
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EP19167250.0A
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English (en)
French (fr)
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EP3581861A2 (de
EP3581861A3 (de
Inventor
Tobias Lingk
Hans-Josef Spahn
Christof Krampe-Zadler
Thomas-Friedrich Szuder
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Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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Publication date
Application filed by Vaillant GmbH filed Critical Vaillant GmbH
Priority to PL19167250T priority Critical patent/PL3581861T3/pl
Publication of EP3581861A2 publication Critical patent/EP3581861A2/de
Publication of EP3581861A3 publication Critical patent/EP3581861A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3581861B1 publication Critical patent/EP3581861B1/de
Priority to HRP20210836TT priority patent/HRP20210836T1/hr
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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
    • F25B25/00—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00
    • F25B25/005—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00 using primary and secondary systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B45/00—Arrangements for charging or discharging refrigerant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2339/00—Details of evaporators; Details of condensers
    • F25B2339/04—Details of condensers
    • F25B2339/047—Water-cooled condensers
    • 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
    • F25B2500/22—Preventing, detecting or repairing leaks of refrigeration fluids
    • F25B2500/222—Detecting refrigerant leaks

Definitions

  • the invention relates to irregular states in refrigeration circuits in which a working fluid acting as a refrigerant is conducted in a thermodynamic cycle, such as the Rankine cycle, for example.
  • thermodynamic cycle such as the Rankine cycle
  • These are mainly heat pumps, air conditioning systems and cooling devices, as are common in residential buildings.
  • Residential buildings are understood to mean private houses, apartment complexes, hospitals, hotel facilities, restaurants and combined residential and commercial buildings in which people live and work permanently, in contrast to mobile devices such as car air conditioning systems or transport boxes, or industrial systems or medical devices. What these cycle processes have in common is that they generate useful heat or useful cooling using energy and form heat displacement systems.
  • thermodynamic cycle processes that are used have been known for a long time, as are the safety problems that can arise when using suitable working fluids. Apart from water, the most well-known working fluids of the time are flammable and poisonous. In the past century they led to the development of safety refrigerants, which consisted of fluorinated hydrocarbons. It turned out, however, that these safety refrigerants damage the ozone layer, lead to global warming, and that their safety-related harmlessness led to constructive inattention. Up to 70% of the turnover was accounted for by the need to refill leaky systems and their leakage losses, which was accepted as long as this was perceived as economically justifiable in individual cases and promoted the need for replacement.
  • the problems that arise in the safety design of such systems are described in the WO 2015/032905 A1 clearly described.
  • the lower ignition limit of propane as a working fluid is around 1.7 percent by volume in air, which corresponds to 38 g / m 3 in air. If the refrigeration process is carried out in a hermetically sealed, but otherwise air-filled space with the working fluid propane, the problem arises of recognizing a critical, explosive situation after a fault in which the working fluid escapes into this hermetically sealed space.
  • Electrical sensors for the detection of critical concentrations are difficult to design to be explosion-proof, which is why the propane detection by the sensors themselves increases the risk of explosion considerably, with the exception of infrared sensors.
  • Propane is also poisonous; inhalation above a concentration of approx. 2 g / m 3 results in narcotic effects, headaches and nausea. This applies to people who are supposed to solve a recognized problem on site before there is a risk of explosion.
  • Propane is also heavier than air, so in still air it sinks to the floor and collects there. So if part of the propane collects in a low-flow zone of the closed space in which the disturbed unit is located, the local explosion limits can be reached much faster than the quotient of the total volume of the space to the amount of propane that has leaked would lead one to expect.
  • the WO 2015/032905 A1 seeks to solve this problem by integrating a generator for electrical current in the opening or locking of this room and, when activated, in a first step generates and provides the electrical energy with which the sensor is activated, and in the event of an alarm the The lock then does not release, but causes ventilation of the locked room, 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 and 7, respectively. 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 off. The extracted working fluid can then be recovered if necessary.
  • DE 10 2014 112545 A1 shows a further device in which a compression circuit with the refrigerant propane is installed in a pressure-tight housing.
  • a compression circuit with the refrigerant propane is installed in a pressure-tight housing.
  • all individual components are soldered together at their points of contact in order to hermetically seal the refrigerant circuit.
  • a maintenance opening in the refrigerant circuit is not provided.
  • the DE 10 2011 116 863 A1 describes a method for securing a device for a thermodynamic cycle which is operated with a process fluid which contains or consists of at least one environmentally hazardous, toxic and / or inflammable substance.
  • a process fluid which contains or consists of at least one environmentally hazardous, toxic and / or inflammable substance.
  • an adsorbent is brought into contact with the process fluid, in particular ammonia, propane or propene, and the substance is selectively bound by the adsorbent.
  • the adsorbent is regenerated after use.
  • Zeolite also in combination with imidazole or phosphates, furthermore CuBTC are proposed as adsorbent;
  • the adsorbent can be in the form of a bed, a shaped body, a paint, a Spray film or a coating.
  • the support structure of the molded body can consist of a microstructure, lamellar structure, tube bundle, tube register and sheet metal and must be mechanically stable as well as greatly increasing the surface area.
  • the potentially contaminated air is usually circulated continuously, but it can also be initiated by a sensor that switches on the ventilation after a threshold value has been reached or if an accident is detected.
  • the adsorption can be carried out inside or outside a closed space.
  • the DE 195 26 980 A1 describes an apparatus and a method for cleaning air in enclosed spaces which have a gaseous contamination. After the contamination has been detected by a gas sensor, this controls a compressor, which directs the air through an absorber located in this room, whereby the contamination is absorbed. The cleaned air leaves the absorber in the closed room.
  • the DE 195 25 064 C1 describes a refrigeration machine with a gas-tight housing which accommodates all refrigerant-carrying components of the machine, a space connecting the interior of the gas-tight housing with an outlet is provided, and the space is filled with a substance that sorbs the refrigerant.
  • the amount of sorbent material is dimensioned so that the entire amount of any refrigerant that may escape can be absorbed and kept away from the environment.
  • the space filled with the sorbent material is open to the environment. With refrigerants that are heavier than air, the room is open at the bottom, with those that are lighter, it is open at the top, so that a conveying fan is not required.
  • the sorbent is introduced into the housing and completely encloses the refrigeration machine or the refrigerant-carrying devices. On its way to the outside, baffles are provided that prevent short-circuit currents and force escaping gas through the sorbent. Also a double-walled embodiment, in which the sorbent is arranged in the double jacket, is possible. A measuring device for refrigerant can be provided at the exit of the space filled with the sorbent substance to the environment.
  • the EP 3 106 780 A1 describes a heat pump system which is housed in an airtight housing lined with a binder.
  • An adsorption unit with forced ventilation can be arranged inside this housing, which cleans the air in the housing in recirculation mode.
  • This recirculation mode can take place continuously or only in the event of a fault or at regular intervals.
  • a pilot burner, a pilot flame, a catalytic burner or a heating wire can also be arranged, which burns any remaining combustible impurities.
  • a fresh air supply in connection with the discharge of purified exhaust air is also conceivable.
  • a service interface, a safety drain function for working fluid and a working fluid outlet with an oil collecting element can also be arranged between the two service valves.
  • propane is used as the working fluid and activated carbon as the adsorbent.
  • the activated carbon can be doped in a known manner in such a way that an optimal loading takes place with propane.
  • the lining is preferably made by dimensionally stable mats or molded bodies which contain the adsorbent and which can be removed and removed in a simple manner after opening the housing.
  • they On the side facing the inside of the container, they are typically permeable to gas and liquid through a retaining grid, while the dimensional stability is ensured by a stable rear-side structure.
  • the mats or moldings are fixed in a known manner by hooks or click fasteners.
  • the lining is dimensioned in such a way that leakage-related working fluid concentrations are captured and adsorbed.
  • Further refinements of the invention relate to the further sorption devices.
  • These further sorption devices are dimensioned in such a way that they are able to absorb all of the working fluid used in the working fluid circulation. It is provided here that the further sorption devices consist of dimensionally stable mats made of activated carbon fabric. Alternatively, it is provided that dimensionally stable honeycomb bodies made of activated carbon are used. Flexible cushions can also be used which contain a bed of activated carbon or are woven or felted with adsorbent fibers.
  • the further sorption devices can also be assembled in a modular manner from various of these embodiments. With such a combination of molded bodies and cushions, the entire interior of the housing can be filled so completely that only such a small volume of air remains that an ignition of an ignitable mixture is not only due to the concentrations, but also due to the small remaining air volume and the therein contained small amounts of oxygen can be excluded.
  • the free air volume inside the container thus remains well below the critical limit of 10 liters, above which there is a risk of explosion in the first place. It can be reduced to less than one liter of free air volume.
  • the molded cushions and molded bodies are enclosed in closable foils, which are opened during assembly and stripped off except for the side open to the dismantling direction, but attached to the respective molded pillow or molded body on this last side are.
  • the foils are slipped over the respective shaped cushion or the shaped body like a bag and closed.
  • Fig. 1 shows a schematic diagram of a refrigeration circuit 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 refrigeration circuit 1 is in this example with the flammable working fluid propane, which is also under known as R290. Propane is heavier than air, so in the event of a leak in the refrigeration circuit 1 it tends to sink in the housing 6. However, due to temperature differences in the housing and the corresponding convection, leakage-related propane can also be found in the rest of the housing.
  • This housing 6 is therefore completely lined with the adsorptive lining 11.
  • the lining 11 consists of several individual parts that are directly adjacent to one another. They can, but need not, have the same wall thickness everywhere, for example the top can be significantly thinner than the bottom.
  • Fig. 1 a safety refrigerant discharge device 12 and an outlet with an oil collecting element 13 into the further sorption bed designed as a molded body 14.
  • Further shaped bodies 14 are indicated schematically; they are adapted to the geometric shapes of the devices of the refrigeration circuit.
  • Fig. 2 shows a refrigeration cycle with a lining and further sorption devices.
  • These further sorption devices are an external container filled with activated carbon and a multiplicity of shaped bodies and shaped cushions 14. If a leak occurs in the refrigeration circuit 1, the shaped bodies 14 absorb the refrigerant. If a greater loss is found, the remaining refrigerant of the working group 1 can be filled into the container 17 filled with activated carbon via the service valves 15 and along the service interface 16, the safety refrigerant drain device 12 and the outlet with oil collecting element 13.
  • Fig. 3 shows a refrigeration cycle with a lining and further sorption devices.
  • These further sorption devices are an external container 19 filled with adsorbent under the bottom of the housing 6, which is connected to the container 6 via a connection 18, and a plurality of molded bodies and molded cushions 14. If a leak occurs in the refrigeration circuit 1, the molded bodies take 14 the refrigerant. Will be a major loss detected, the remaining refrigerant of the working group 1 can be drained into the container 6 via the safety refrigerant discharge device 12 and the outlet with oil collecting element 13 and the refrigerant is completely absorbed by the adsorbent in the adsorbent container 19. Sealing elements 20 are required so that no working fluid can escape.

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Description

  • Die Erfindung betrifft irreguläre Zustände in Kältekreisen, in denen ein als Kältemittel wirkendes Arbeitsfluid in einem thermodynamischen Kreisprozess, wie zum Beispiel dem Clausius-Rankine-Kreisprozess, geführt wird. Vorwiegend sind dies Wärmepumpen, Klimaanlagen und Kühlgeräte, wie sie in Wohngebäuden gebräuchlich sind. Unter Wohngebäuden werden dabei Privathäuser, Miethauskomplexe, Krankenhäuser, Hotelanlagen, Gastronomie und kombinierte Wohn- und Geschäftshäuser verstanden, in denen Menschen dauerhaft leben und arbeiten, im Unterschied zu mobilen Vorrichtungen wie KFZ-Klimaanlagen oder Transportboxen, oder auch Industrieanlagen oder medizintechnischen Geräten. Gemeinsam ist diesen Kreisprozessen, dass sie unter Einsatz von Energie Nutzwärme oder Nutzkälte erzeugen und Wärmeverschiebungssysteme bilden.
  • 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,
    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 10 2014 112545 A1 zeigt eine weitere Vorrichtung bei der ein Kompressionskreislauf mit dem Kältemittel Propan in einem druckdichten Gehäuse angebracht ist. Um den Austrittsschutz von dem Kältemittel aus dem Kältemittelkreis zu verbessern, werden alle Einzelkomponenten an ihren Berührungspunkten miteinander verlötet, um den Kältemittelkreis hermetisch abzuschließen. Eine Wartungsöffnung im Kältemittelkreis ist nicht vorgesehen.
  • 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.
  • 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 Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Vorrichtung bereitzustellen, die gewährleistet, das im Fehlerfall austretende Arbeitsfluid entweder
    • sicher zu speichern oder
    • sicher zu adsorbieren oder
    • sicher zu evakuieren,
    ohne dass ein explosionskritischer Zustand im Aufstell- oder Nutzungsbereich dieser Arbeitsfluid-führenden Einrichtung entstehen kann.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 zur sicheren Durchführung eines linksdrehenden thermodynamischen Clausius-Rankine-Kreisprozesses mittels eines entzündlichen Arbeitsfluids, welches im gasförmigen Zustand unter Atmosphärenbedingungen schwerer als Luft ist und in einem geschlossenen, hermetisch dichten Arbeitsfluidumlauf geführt wird, aufweisend
    • mindestens einen Verdichter für Arbeitsfluid,
    • mindestens eine Entspannungseinrichtung für Arbeitsfluid,
    • mindestens zwei Wärmeübertrager für Arbeitsfluid mit jeweils mindestens zwei Anschlüssen für Wärmeüberträgerfluide,
    • ein geschlossenes und druckdichtes Gehäuse, welches alle am geschlossenen Arbeitsfluidumlauf angeschlossenen Einrichtungen umfasst, weitere Einrichtungen umfassen kann, und mit einem Adsorbens ausgekleidet ist, welches in der Lage ist, Arbeitsfluid zu adsorbieren,
    • mindestens eine weitere Sorptionseinrichtung vorgesehen wird, mit der das gesamte Arbeitsfluid bei Normalbedingungen adsorbiert werden kann,
    • und mindestens eine Sicherheits-Kältemittelablass-Einrichtung vorgesehen wird.
  • In weiteren Ausgestaltungen ist vorgesehen, zwei Serviceventile im druckdichten Gehäuse vorzusehen, von denen das eine mit dem Arbeitsfluidumlauf verbunden ist und das andere aus dem druckdichten Gehäuse herausführt. Zwischen den beiden Serviceventilen können noch eine Service-Schnittstelle, eine Sicherheits-Ablassfunktion für Arbeitsfluid und ein Arbeitsfluidauslass mit Ölauffangelement angeordnet sein.
  • In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird als Arbeitsfluid Propan verwendet und als Adsorbens Aktivkohle. Die Aktivkohle kann dabei in bekannter Weise derart dotiert werden, dass eine optimale Beladung durch Propan erfolgt.
  • Apparativ wird die Auskleidung vorzugsweise durch formstabile Matten oder Formkörper vorgenommen, die das Adsorbens enthalten und die auf einfache Weise nach Öffnen des Gehäuses abgenommen und entfernt werden können. Sie sind typischerweise auf der zum Behälterinneren zugewandten Seite durch ein Haltegitter durchlässig für Gas und Flüssigkeit, während die Formstabilität durch eine stabile Rückseitenstruktur gewährleistet wird. Auf der Rückseite werden die Matten oder Formkörper in bekannter Weise durch Haken oder Klickverschlüsse fixiert. Die Auskleidung ist so dimensioniert, dass leckagebedingte Arbeitsfluidkonzentrationen aufgefangen und adsorbiert werden.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung betreffen die weiteren Sorptionsvorrichtungen. Diese weiteren Sorptionsvorrichtungen sind so dimensioniert, dass sie das gesamte im Arbeitsfluidumlauf eingesetzte Arbeitsfluid aufzunehmen in der Lage sind. Hierbei wird vorgesehen, dass die weiteren Sorptionsvorrichtungen aus formstabilen Matten aus Aktivkohlegewebe bestehen. Alternativ wird vorgesehen, dass formstabile Wabenkörper aus Aktivkohle verwendet werden. Auch können flexible Kissen verwendet werden, die eine Schüttung aus Aktivkohle enthalten oder mit adsorbierenden Fasen gewebt oder gefilzt sind.
  • Die weiteren Sorptionsvorrichtungen können auch modular aus verschiedenen dieser Ausführungsformen zusammengesetzt sein. Durch eine derartige Kombination von Formköpern und Kissen kann der gesamte Innenraum des Gehäuses so vollständig ausgefüllt werden, dass nur noch ein so kleines Luftvolumen übrigbleibt, dass eine Zündung eines zündfähigen Gemisches nicht nur aufgrund der Konzentrationen, sondern auch aufgrund des kleinen restlichen Luftvolumens und der darin enthaltenen geringen Sauerstoffmengen ausgeschlossen werden kann. Das freie Luftvolumen innerhalb des Behälters bleibt somit deutlich unter der kritischen Grenze von 10 Litern, oberhalb der überhaupt erst Explosionsgefahr besteht. Es kann auf unter einen Liter freies Luftvolumen verringert werden.
  • Sofern die weiteren Sorptionsvorrichtungen nach der Auslösung eines Ablassvorgangs oder einer Leckage das Arbeitsfluid aufgenommen haben, ist bei der Entnahme von Formkissen und Formkörpern darauf zu achten, dass kein Luftsauerstoff mit ausgasendem Arbeitsfluid in einer solchen Menge in Kontakt kommen kann, dass während der Demontage eine Gefahr entsteht. Dies kann durch starke Lüftung oder Inertisierung erfolgen. Eine solche Maßnahme ist möglicherweise nicht immer möglich.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird daher vorgesehen, dass Formkissen und Formkörper in verschließbaren Folien eingeschlossen sind, die bei der Montage geöffnet und bis auf die zur Demontagerichtung offenen Seite abgestreift werden, wobei sie an dieser letzten Seite aber an dem jeweiligen Formkissen oder Formkörper befestigt sind. Bei der Entnahme bzw. Demontage werden die Folien wieder über das jeweilige Formkissen oder den Formkörper wie eine Tüte übergestreift und verschlossen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Prinzipskizzen näher erläutert. Hierbei zeigen:
    • Fig. 1 einen beispielhaften Kältekreis mit einer Auskleidung und weiteren gehäuseinternen Sorptionsvorrichtungen,
    • Fig. 2 einen beispielhaften Kältekreis mit einer Auskleidung und weiteren gehäuseinternen und gehäuseexternen Sorptionsvorrichtungen,
    • Fig. 3 einen Kältekreis nach der vorliegenden Erfindung mit einer Auskleidung und weiteren gehäuseinternen Sorptionsvorrichtungen und einer alternativen gehäuseexternen Sorptionsvorrichtung.
  • 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. Aufgrund von Temperaturunterschieden im Gehäuse und entsprechender Konvektion findet sich leckagebedingtes Propan aber auch im übrigen Gehäuseinneren. Dieses Gehäuse 6 ist daher vollständig mit der adsorptiven Auskleidung 11 ausgekleidet. Die Auskleidung 11 besteht dabei aus mehreren Einzelteilen, die unmittelbar aneinandergrenzen. Sie können, müssen aber nicht überall dieselbe Wandstärke aufweisen, beispielsweise kann die Oberseite deutlich dünner ausfallen als die Unterseite.
  • Weiterhin zeigt Fig. 1 eine Sicherheits-Kältemittelablass-Einrichtung 12 und einen Auslass mit Ölauffangelement 13 in das als Formköper 14 ausgeführte weitere Sorptionsbett. Weitere Formkörper 14 sind schematisch angedeutet, sie sind an die geometrischen Formen der Einrichtungen des Kältekreises angepasst.
  • Fig. 2 zeigt einen Kältekreis mit einer Auskleidung und weiteren Sorptionsvorrichtungen. diese weiteren Sorptionsvorrichtungen sind ein externer mit Aktivkohle gefüllter Behälter und eine Vielzahl von Formkörpern und Formkissen 14. Falls im Kältekreis 1 eine Leckage auftritt, nehmen die Formkörper 14 das Kältemittel auf. Wird ein größerer Verlust festgestellt, kann das restliche Kältemittel des Arbeitskreises 1 über die Serviceventile 15 sowie entlang der Service-Schnittstelle 16 , der Sicherheits-Kältemittelablass-Einrichtung 12 und des Auslasses mit Ölauffangelement 13 in den mit Aktivkohle gefüllten Behälter 17 abgefüllt werden.
  • Fig. 3 zeigt einen Kältekreis mit einer Auskleidung und weiteren Sorptionsvorrichtungen. Diese weiteren Sorptionsvorrichtungen sind ein externer mit Adsorbens gefüllter Behälter 19 unter dem Boden des Gehäuses 6, der über eine Verbindung 18 mit dem Behälter 6 verbunden ist, und eine Vielzahl von Formkörpern und Formkissen 14. Falls im Kältekreis 1 eine Leckage auftritt, nehmen die Formkörper 14 das Kältemittel auf. Wird ein größerer Verlust festgestellt, kann das restliche Kältemittel des Arbeitskreises 1 über die Sicherheits-Kältemittelablass-Einrichtung 12 und den Auslass mit Ölauffangelement 13 in den Behälter 6 abgelassen werden und das Kältemittel wird durch das Adsorbens im Adsorbensbehälter 19 vollständig aufgenommen. Damit kein Arbeitsfluid entweichen kann, sind Dichtelemente 20 erforderlich.
    • 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
    Adsorptive Auskleidung
    12
    Sicherheits-Kältemittelablass-Einrichtung
    13
    Auslass mit Ölauffangelement
    14
    Formkörper / Formkissen
    15
    Serviceventil
    16
    Service-Schnittstelle
    17
    Aktivkohlebehälter
    18
    Verbindung
    19
    Adsorbensbehälter
    20
    Dichtelement

Claims (5)

  1. 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 und druckdichtes Gehäuse (6),
    - welches alle am geschlossenen Arbeitsfluidumlauf angeschlossenen Einrichtungen umfasst und weitere Einrichtungen umfassen kann,
    gekennzeichnet dadurch, dass das druckdichte Gehäuse mit einem Adsorbens (11) ausgekleidet ist, welches in der Lage ist, Arbeitsfluid zu adsorbieren, und die Vorrichtung weiterhin folgende Merkmale aufweist
    - mindestens eine weitere Sorptionseinrichtung, mit der das gesamte Arbeitsfluid bei Normalbedingungen adsorbiert werden kann,
    - mindestens eine Sicherheits-Kältemittelablass-Einrichtung,
    - einen externen Behälter und eine externe Verbindung (18) zwischen dem druckdichten Gehäuse (6) und dem externen Behälter, mit der der weitere externe Behälter (19) direkt an das druckdichte Gehäuse angeschlossen wird
    - wobei die weitere Sorptionseinrichtung
    - aus einer Wanne am Behälterboden besteht, die mit einem Adsorbens gefüllt ist,
    - oder aus Formkissen oder Formkörpern besteht, die mit Adsorbens gefüllt sind oder aus ihnen bestehen und die in die Hohlräume des druckdichten Gehäuses eingepasst sind,
    - oder aus einem gehäuseinternen, mit Adsorbens gefüllten Sorptionsbehälter gebildet wird,
    - oder aus einem gehäuseexternen, mit Adsorbens gefüllten Sorptionsbehälter gebildet wird,
    - oder aus Kombinationen davon, und im Arbeitsfluidumlauf (1) eine Sicherheits-Einrichtung zum Ablassen von Arbeitsfluid in das Innere des druckdichten Behälters (6) vorgesehen ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von dieser Sicherheits-Einrichtung zum Ablassen von Arbeitsfluid mindestens eine Verbindung zu einem Arbeitsfluidauslass zu einer der weiteren Sorptionseinrichtungen geführt wird, so dass das Arbeitsfluid direkt in die Sorptionseinrichtung geführt wird.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Serviceventile im druckdichten Gehäuse vorgesehen werden, von denen das eine mit dem Arbeitsfluidumlauf verbunden ist und das andere aus dem druckdichten Gehäuse herausführt.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkissen und Formkörper der weiteren Sorptionseinrichtung, soweit diese aus Formkissen und Formkörpern gebildet wird, in verschließbaren und abstreifbaren Folien eingeschlossen sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die verschließbaren und abstreifbaren Folien an dem jeweiligen Formkissen oder Formkörper befestigt sind und die Befestigung an der Seite erfolgt, die zur Demontagerichtung zeigt.
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