EP3693687A2

EP3693687A2 - Adsorberkühlung

Info

Publication number: EP3693687A2
Application number: EP20151979.0A
Authority: EP
Inventors: Tobias Lingk; Christof Krampe-Zadler; Hans-Josef Spahn; Thomas Badenhop
Original assignee: Vaillant GmbH
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 2019-02-06
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2020-08-12
Anticipated expiration: 2040-01-15
Also published as: EP3693687C0; EP3693687A3; EP3693687B1

Abstract

Vorrichtung zur sicheren Durchführung eines linksdrehenden thermodynamischen Kreisprozesses (1) mittels eines entzündlichen Arbeitsfluids, welches 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 Gehäuse (6), welches alle am geschlossenen Arbeitsfluidumlauf angeschlossenen Einrichtungen umfasst und weitere Einrichtungen umfassen kann, mindestens einen Sorptionskanal (11) mit einem Aktivkohle enthaltenden Adsorber (12), der von Gas durchströmt werden kann und der Sorptionskanal (11) mit dem Adsorber (12) sowie seinem Einlass (13) und optional einem Auslass (14) innerhalb des Gehäuses (6) angeordnet ist, wobei der Sorptionskanal (11) gegenüber dem Inneren des Gehäuses (6) durch eine thermische Dämmung (15) begrenzt wird, der Sorptionskanal (11) am Gaseinlass (13) und am Gasauslass (14) verschließbar ist, am Gasauslass (14) des Sorptionskanals (11) optional ein schaltbares Saugzuggebläse (16) angeschlossen ist, und im Sorptionskanal (11) mindestens eine Kühlleitung (17) verlegt ist, die an ein Kühlmedium angeschlossen ist.

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, sowie deren adsorptive Sicherheitseinrichtung. 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 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.
Heutige Kältekreise sind ausgestattet mit diesen Sicherheitskältemitteln der Sicherheitsklasse A1, d.h. sie sind nicht giftig und nicht brennbar. Die gebräuchlichsten Kältemittel im Bereich der Wärmepumpenanwendungen sind die Kältemittel R134a, R407C bzw. R410A, allesamt Fluorkohlenwasserstoffverbindungen. Der Einsatz dieser Kältemittel war bis Januar 2015 keinerlei Restriktionen unterworfen, die Einführung der F-Gase- Verordnung (EU) 517/2014 zum 01. Januar 2015 schränkt zukünftig die Anwendung von Fluorkohlenwasserstoff- Kältemitteln über Mengenbegrenzungen in der Europäischen Union derartig ein, dass die Preise bisheriger Kältemittel deutlich ansteigen werden. Ziel der F-Gase-Verordnung ist die mittelfristige Verbannung der treibhausgasfördernden Kältemittel und den Ersatz durch natürliche Kältemittel bzw. gegen chemische Kältemittel mit erheblich reduziertem Treibhauspotenzial.
Nachteilig ist jedoch, dass nahezu alle Kältemittelalternativen zur Gruppe der brennbaren Kältemittel gehören, insbesondere die technisch vielversprechendsten Kältemittel wie z.B. R290 (Propan) und R1270 (Propylen).
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.
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 Raumes durchgeführt werden.
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 JP 2000 105003 A beschreibt ein Kälteaggregat, welches mit einem entzündlichen Arbeitsfluid betrieben wird, wobei das Aggregat aus zwei Teilen bestehen kann, von denen das eine im Innenraum eines Gebäudes und das andere außen im Freien aufgestellt ist. Um zu verhindern, dass im Falle einer Leckage Arbeitsfluid entweichen kann, werden die Innenwände des Innengehäuses mit Adsorbensmaterial ausgekleidet und die Leitungen des außen aufgestellten Teils mit einer Beschichtung aus Adsorbensmaterial beschichtet. Als Adsorbens wird unter anderem Aktivkohle vorgeschlagen.
Problematisch ist beim Einsatz von Aktivkohle als Adsorbens, dass Aktivkohle mit der Zeit an der Luft altert, weil langsame Oxidationsvorgänge stattfinden. Aufgrund der Anforderungen eines Sicherheitskonzeptes an die Verfügbarkeit über die Lebensdauer von Geräten, in denen linksdrehende Kreisprozesse betrieben werden, wie zum Beispiel Wärmepumpen, muss eine Degradation des Adsorptionsmittels aber unbedingt vermieden werden, vor allem wenn sie unbemerkt geschehen könnte.
Je nach Bauart, Aufstellungsort und Betriebsweise beispielsweise einer Wärmepumpe ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an eine mögliche Belastung des Adsorptionsmittels durch Co-Adsorbenzien, also etwa VOC, Wasserdampf aus Luftfeuchte, Luftsauerstoff, Temperaturwechseln, und anderen. Zu unterscheiden ist dabei zwischen Auskleidungen und durchströmten Sorptionsbetten. Bei den durchströmten Sorptionsbetten ist zu unterscheiden zwischen solchen, die innerhalb eines Gehäuses im Umluftbetrieb sind und solchen, die nach außen hin entlüften. Die Erfindung betrifft hierbei erstere, wobei jedoch auch Kombinationen mit den davor erwähnten umluftbetriebenen Sorptionsbetten und Auskleidungen einsetzbar sind.
Es wird im Folgenden zwar angenommen, dass sich das Sorptionsbett in einem Kanal mit einer Einströmseite und einer Ausströmseite innerhalb des Gehäuses befindet, in dem auch der linksdrehende Kreisprozess durchgeführt wird. Statt eines langgestreckten, linearen Sorptionskanals können aber auch andere Bauformen von Sorptionskanälen zur Anwendung kommen und die Aggregate des durchgeführten Kreisprozesses können auch in einem separaten Kapselgehäuse angeordnet sein, welches sich innerhalb des gemeinsamen Gehäuses mit dem Sorptionskanal befindet, und sind ebenfalls von der Erfindung umfasst, ebenso solche, bei denen der Sorptionsvorgang außerhalb des Gehäuses stattfindet..
Die Belastung solcher in Bezug auf das Gehäuse nach innen und nach außen offenen Sorptionsbetten durch Kontamination wird durch Diffusion und Konvektion von Kontaminaten, im Falle der Adsorption vom konterminierenden Adsorptiv verursacht. Die Kontaminaten können dabei reversible oder auch irreversible Degradationen der Sorptionskapazität des Sorptionsbettes gegenüber dem austretenden Arbeitsfluid verursachen. Die Diffusionsströmung wird dabei einzig durch das Konzentrationsgefälle angetrieben, während konvektive Einträge durch wetterinduzierte Luftdruck- oder auch Temperaturgradienten zwischen Gehäuse und Umgebung verursacht werden. Die resultierenden Druckunterschiede führen zu Ausgleichsströmungen in das Gehäuse und damit auch durch das Sorptionsbett und zum Stofftransport von Kontaminaten in das Sorptionsbett.
Aus dem Gehäuse, in dem der Kreisprozess durchgeführt wird, kommen als Kontaminaten Sauerstoff, ein- und mehrwertige Alkohole, Feuchte, Ziehfette, Schneidöle, Schäummittel und RCM-Öle in Betracht. Im Falle von Aktivkohle als Adsorbensmaterial ist die Alterung bzw. Degradation von der Temperatur und der insgesamt durchströmten Gasmenge bestimmt.
Die Aufgabe der Erfindung ist daher, eine sichere Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die beschriebenen Nachteile nicht mehr aufweist und deren Degradation des Aktivkohleadsorbers minimal wird. Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur sicheren Durchführung eines linksdrehenden thermodynamischen Kreisprozesses mittels eines entzündlichen Arbeitsfluids, welches 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 Gehäuse, welches wenigstens den Verdichter und die Entspannungseinrichtung für Arbeitsfluid umfasst und weitere Einrichtungen umfassen kann,
mindestens einen Sorptionskanal mit einem Aktivkohle enthaltenden Adsorber, der von Gas durchströmt werden kann
und der Sorptionskanal mit dem Adsorber sowie seinem Gaseinlass verbunden ist, wobei
der Sorptionskanal gegenüber dem Inneren des Gehäuses durch eine thermische Dämmung begrenzt wird,
der Sorptionskanal am Gaseinlass verschließbar ist, und
im Sorptionskanal mindestens eine Kühlleitung verlegt ist, die an ein Kühlmedium angeschlossen ist.

In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Sorptionskanal mit einem Gasauslass ausgestattet und mit ihm verbunden ist. Ferner kann vorgesehen werden, dass am Gasauslass des Sorptionskanals ein schaltbares Saugzuggebläse angeschlossen ist.
In einer Ausgestaltung sind der Adsorber, der Sorptionskanal sowie Gaseinlass und Gasauslass innerhalb des Gehäuses angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, diese außerhalb des Gehäuses anzuordnen oder ebenso wie die Wärmeübertrager Verdampfer und Kondensator in die Gehäusewand zu integrieren.
Im Normalfall sind Gaseinlass und Gasauslass des Sorptionskanals mit dem Aktivkohleadsorber verschlossen. Die Aktivkohle wird durch das Kühlmedium auf einer sehr niedrigen Temperatur gehalten, die deutlich unter der Innenraumtemperatur des Gehäuses liegt. Diese Temperaturabsenkung hat zwei Wirkungen: Einerseits verlangsamen sich die Alterung und die Degradation, andererseits erhöht sich die Aufnahmekapazität der Aktivkohle. Dazu muss der Adsorber aber dauerhaft kühlgehalten werden, weshalb eine gute Wärmedämmung erforderlich ist.
In einer Ausgestaltung der Erfindung verfügt die Vorrichtung über ein Leckageerkennungssystem, welches die Verschlüsse am Gaseinlass und, sofern vorhanden, am Gasauslass automatisch öffnet und das Saugzuggebläse, sofern vorhanden, automatisch einschaltet, wenn eine Leckage erkannt wird. Das Leckageerkennungssystem ist üblicherweise ein Gasdetektor, wobei ein Propangasmelder zum Einsatz kommen kann, andere Erkennungssysteme sind jedoch ebenfalls geeignet. Für den Fall eines Stromausfalls sollte das Saugzuggebläse über einen stets geladenen Akku verfügen.
Weitere Ansprüche betreffen das Kühlmedium. Es ist zwar problemlos möglich, ein extern vorhandenes Kühlmedium zu verwenden, wenn dies günstig zur Verfügung steht, aber es können auch zwei Möglichkeiten genutzt werden, Kühlmedien zu nutzen, die als Arbeitsfluide im Kreisprozess verwendet werden. So kann alternativ vorgesehen werden dass entweder das Kühlmedium entspanntes Arbeitsfluid ist, welches in Strömungsrichtung nach der Entspannungsvorrichtung und vor dem als Verdampfer wirkenden Wärmeübertrager, strömt, oder dass das Kühlmedium entspanntes Arbeitsfluid ist, welches in Strömungsrichtung nach dem als Verdampfer wirkenden Wärmeübertrager zum Verdichter strömt.
Im Normalbetrieb muss hierbei nur der Wärmeverlust, der trotz der thermischen Dämmung auftritt, ausgeglichen werden, was nur einen geringen Verlust bedeutet. Sofern der Kreisprozess eine Wärmepumpe ist, welche die Energie aus dem Verdampfer bezieht, bedeutet die Nutzung als Kühlmedium sogar eine Verbesserung der Wärmeausbeute. Ansonsten kann es bei sehr geringen, auszugleichenden Wärmeeinträgen durch die thermische Dämmung auch sinnvoll sein, nur einen kleinen Teilstrom des Arbeitsfluids durch die Kühlleitungen hindurchzuleiten.
Die Kühlleitungen sind im Kühlkanal so zu verlegen, dass das Adsorbensmaterial zugänglich bleibt, um es gegebenenfalls entnehmen und austauschen zu können. Gleichzeitig sollte aber genügend Wärmeübertragungsfläche installiert werden. Dies kann dadurch geschehen, dass man eine Kühlleitung mittig im Sorptionskanal verlegt und diese mit Kühlrippen in Längsrichtung ausstattet. Die Abstände der Kühlrippen sollten größer sein als die Partikel der Aktivkohle, sofern eine Aktivkohleschüttung als Adsorbens zum Einsatz kommt.
Oft werden linksdrehende Kreisprozesse nicht das ganze Jahr über kontinuierlich betrieben. Nach längeren Stillständen kann es daher sein, dass längere Zeit kein Kühlmedium durch die Kühlleitungen geflossen ist und der Aktivkohleadsorber warm geworden ist. Da solche Wiederanfahrvorgänge gleichzeitig die Betriebszustände sind, bei denen das höchste Leckagerisiko besteht, ist es sinnvoll, den Adsorber stets gekühlt zu halten. Diese Kühlhaltung kann durch Peltier-Elemente erfolgen, deren Aufgabe es ist, während der Stillstandszeiten den Temperaturausgleich durch die thermische Dämmung zu kompensieren.
Weiterhin können Latentwärmespeicher zur Verlangsamung eines solchen stillstandsbedingten Temperaturausgleichs eingesetzt werden. Dies kann entweder als zusätzliche Schicht an der thermischen Dämmung oder in Form von Pellets, die in die Aktivkohleschüttung hinzugemischt werden, erfolgen. Als Materialien können Salze, die Phasenänderungen im relevanten Temperaturbereich durchführen, dienen, wobei sie mit Schutzhüllen zu versehen sind. Derartige Materialien sind im Stand der Technik beschrieben.
Da der Aktivkohleadsorber während des Normalbetriebs verschlossen ist, kann er zuvor mit einem Medium vorbeladen werden, welches eine geringere adsorptive Bindung als das entzündliche Arbeitsfluid, welches im Leckagefall abzuscheiden ist, aufweist. Während der Adsorption des Arbeitsfluids bewirkt die Adsorptionswärme eine Erwärmung des Aktivkohleadsorbers, was unerwünscht ist. Dagegen bewirkt die Desorption des verdrängten Mediums eine Abkühlung. Das zu verdrängende Medium kann dabei schon vorher unter hohem Partialdruck adsorbiert werden, wobei die typischen Hystereseverläufe bewirken, dass bei reduziertem Partialdruck zunächst keine vollständige Desorption erfolgt. Diese Überladung mit einem zu verdrängenden Medium kann also dazu führen, dass die Wärmetönung durch die Adsorption vollständig kompensiert wird, obwohl die geringere adsorptive Bindung des Mediums tendenziell auch weniger Bindungsenergie verbraucht. Die höhere Menge an desorbiertem Medium gleicht dies aus. Als bevorzugte Medien werden Stickstoff und Kohlendioxid verwendet, deren Desorption in das Gehäuse verringert darüber hinaus die Entzündungsgefahr im Fall einer Leckage.
In bevorzugten Ausführungsformen ist daher vorgesehen, dass

das Adsorbens mit einem Adsorbat vorbeladen ist, welches vom Adsorptiv verdrängt wird und dabei das Adsorbens kühlt,
das Adsorbat, mit dem das Adsorbens vorbeladen ist, Stickstoff oder Kohlendioxid ist,
das Adsorbens, welches mit dem Adsorbat vorbeladen ist, Aktivkohle ist,
das Adsorptiv, welches das Adsorbat verdrängt, das Kältemittel R290 ist.

Das Gehäuse kann entweder geschlossen oder mit Öffnungen ausgeführt sein. Wenn das Gas innerhalb des Gehäuses bleiben soll, ist entweder ein Zwangsumlauf vorzusehen, der von einem Fördergebläse betrieben wird, oder die Adsorption des ausgetretenen Arbeitsfluids findet allein durch Diffusion statt. Falls das Austreten des von Arbeitsfluid abgereichertem oder ganz befreitem Gas zugelassen werden kann, kann entweder ein Fördergebläse das Gas aus dem Sorptionskanal absaugen und über eine Auslassöffnung nach außen befördern, wobei gleichzeitig durch eine Öffnung ein gleich großer Luftstrom von außen nachgeführt werden muss, oder der bei der Leckage möglicherweise entstehende Überdruck im Gehäuse treibt das Gas durch den Sorptionskanal aus der Auslassöffnung nach außen.
Sobald jedoch nach erfolgtem Druckausgleich das restliche Arbeitsfluid in den Sorptionskanal diffundiert, würde ein Unterdruck entstehen, der ausgeglichen werden muss. Würde man hier eine Rückströmung durch die Auslassöffnung und den damit verbundenen Sorptionskanal zulassen, müsste auch mit einer Teildesorption gerechnet werden, was unerwünscht ist. Aus diesem Grund wird eine separate Einlassöffnung ins Gehäuse vorgesehen, die als Unterdrucksicherung ausgeführt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von vier Prinzipskizzen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1:: eine Wärmepumpe mit einem Sorptionskanal und Zwangsumluft,
Figur 2:: eine Wärmepumpe mit einem Sorptionskanal und Lufteinleitung,
Figur 3:: eine Wärmepumpe mit einem Sorptionskanal und Zwangsspülung,
Figur 4:: eine Wärmepumpe mit einem Sorptionskanal und passiver Spülung.

Fig. 1 zeigt eine Wärmepumpe mit gekühltem Adsorber und Zwangsumlauf anhand einer Prinzipskizze eines Kältekreises 1 mit einem Verdichter 2, einem Kondensator 3, einer Druckreduzierung 4 und einem Verdampfer 5 in einem Gehäuse 6. Die Wärmepumpe verfügt über einen Wärmequellen-Anschluss 7, einen Wärmequellen-Vorlauf 8, einen Wärmesenken-Vorlauf 9 und einen Wärmesenken-Anschluss 10.
Weiterhin ist im Gehäuse der Sorptionskanal 11 mit dem Aktivkohleadsorber 12 angeordnet. Der Sorptionskanal 11 ist mit der Kühlleitung 17 ausgestattet, ferner optional mit den Peltier-Elementen 19 und Latentwärmespeicherpellets. Die Kühlleitung 17 ist eingebunden in den Kreisprozess, das Kühlmedium ist gleichzeitig das Arbeitsfluid. Es wird hinter der Entspannungsvorrichtung 4, die üblicherweise ein geregeltes Entspannungsventil ist, abgegriffen und durch die Kühlleitung 17 wieder zurück in den Kältekreis 1 geführt, wo es in den Verdampfer 5 gelangt. Weiterhin ist der Sorptionskanal nach allen Seiten thermisch gedämmt, wobei auf die thermische Dämmung 15 großer Wert gelegt wird.
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, wenngleich es sich bei kleinen Leckagen gut vermischt. Eine solche Leckage wird durch den Gasdetektor 18 erkannt. Im unteren Bereich des Gehäuses 6 ist daher eine Öffnung mit einem absperrbaren Gaseinlass 13 vorgesehen, durch die ein Luft-Propangemisch aus dem Innenraum in den Sorptionskanal 11 mit dem Aktivkohleadsorber 12 gelangt, wenn Gaseinlass 13 und Gasauslass 14 auf Veranlassung des Gasdetektors 18 geöffnet werden.
In einem solchen Fall zieht das ebenfalls von Gasdetektor 18 automatisch aktivierte Saugzugsgebläse 16 eine definierte Menge Gas durch den Aktivkohleadsorber, wobei gereinigte Luft, gegebenenfalls angereichert mit den Inertgasen Stickstoff und Kohlendioxid, in das Gehäuse zurückgeführt werden. Wenn möglich wird dabei der Kältekreis 1 noch etwas weiterbetrieben, um die Kühlleistung für den Aktivkohleadsorber 12 sicherzustellen. Sobald der Aktivkohleadsorber beladen ist, werden Gaseinlass 13 und Gasauslass 14 wieder geschlossen und das Saugzuggebläse 16 wird ebenso wie die übrige Wärmepumpe abgeschaltet und der Service wird gerufen.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem auf den Zwangsumlauf verzichtet wird. Im Leckagefall diffundieren die entzündlichen Gasbestandteile durch die Gaseinlässe 13, die sich in diesem Beispiel sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite des Sorptionskanals 11 befinden, in den Aktivkohleadsorber 12.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Saugzuggebläse 16 das beladene Gas, wie in Fig. 1 dargestellt, das Gas durch den Sorptionskanal 11 zieht, sobald eine Leckage erkannt ist. Abweichend davon wird das Gas jedoch nicht im Umlauf innerhalb des Gehäuses 6 geführt, sondern nach außen über die Auslassöffnung 21 geleitet. Eine dem entsprechende Luftmenge wird durch die Einlassöffnung 20 von außen nachgeführt.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem auf ein Saugzuggebläse verzichtet wird. Im Falle einer Leckage bewirkt der dadurch entstehende Überdruck, dass Gas nach außen durch die Auslassöffnung 21 entweichen kann. Da das ausgetretene Arbeitsfluid im Gehäuse 6 nachfolgend vollständig im Aktivkohleadsorber 12 abgeschieden wird, muss der dann entstehende Unterdruck im Gehäuse 6 durch Öffnen der Einlassöffnung 20 ausgeglichen werden.

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: Sorptionskanal
12: Aktivkohleadsorber
13: Gaseinlass
14: Gasauslass
15: Thermische Dämmung
16: Saugzuggebläse
17: Kühlleitung
18: Gasdetektor
19: Peltier-Element
20: Einlassöffnung
21: Auslassöffnung

Claims

Vorrichtung zur sicheren Durchführung eines linksdrehenden thermodynamischen Kreisprozesses (1) mittels eines entzündlichen Arbeitsfluids, welches 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 Gehäuse (6), welches wenigstens den Verdichter (2) und die Entspannungseinrichtung (4) umfasst und weitere Einrichtungen umfassen kann,

- mindestens einen Sorptionskanal (11) mit einem Aktivkohle enthaltenden Adsorber (12), der von Gas durchströmt werden kann

- und der Sorptionskanal (11) mit dem Adsorber (12) sowie seinem Gaseinlass (13) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
- der Sorptionskanal (11) gegenüber seinem Äußeren durch eine thermische Dämmung (15) begrenzt wird,

- der Sorptionskanal (11) am Gaseinlass (13) verschließbar ist, und

- im Sorptionskanal (11) mindestens eine Kühlleitung (17) verlegt ist, die an ein Kühlmedium angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sorptionskanal (11) mit einem Gasauslass (14) ausgestattet ist und mit ihm verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Gasauslass (14) des Sorptionskanals (11) ein schaltbares Saugzuggebläse (16) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Adsorber (12), der Sorptionskanal (11) sowie Gaseinlass (13) und Gasauslass (14) innerhalb des Gehäuses (6) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse ein Leckageerkennungssystem (18) vorgesehen ist, welches den Verschluss am Gaseinlass (13) öffnet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Öffnen des Verschlusses am Gaseinlass (13) auch der Verschluss am Gasauslass (14) öffnet und das Saugzuggebläse (16) einschaltet wird, wenn eine Leckage erkannt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Leckageerkennungssystem (18) ein Gasdetektor für entzündliches Gas, insbesondere Propan, ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium entspanntes Arbeitsfluid ist, welches in Strömungsrichtung nach der Entspannungsvorrichtung (4) und vor dem als Verdampfer wirkenden Wärmeübertrager (5), strömt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium entspanntes Arbeitsfluid ist, welches in Strömungsrichtung nach dem als Verdampfer wirkenden Wärmeübertrager (5) zum Verdichter (2) strömt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom des Arbeitsfluids als Kühlmedium genutzt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte Arbeitsfluid als Kühlmedium genutzt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kühlleitung (17) in Längsrichtung Kühlrippen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Peltier-Elemente (19) zur Kühlung oder Kühlhaltung eingesetzt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Latentwärmespeicher zur Kühlhaltung im Sorptionskanal vorgesehen werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbens mit einem Adsorbat vorbeladen ist, welches vom Adsorptiv verdrängt wird und dabei das Adsorbens kühlt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbat, mit dem das Adsorbens vorbeladen ist, Stickstoff oder Kohlendioxid ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbens, welches mit dem Adsorbat vorbeladen ist, Aktivkohle ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorptiv, welches das Adsorbat verdrängt, das Kältemittel R290 ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mit einer Einlassöffnung (20) und einer Auslassöffnung (21) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung (21) mit einem Fördergebläse (16) verbunden ist.