EP4166854A1 - Löslichkeitserhöhung von alkanen - Google Patents

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Publication number
EP4166854A1
EP4166854A1 EP22202147.9A EP22202147A EP4166854A1 EP 4166854 A1 EP4166854 A1 EP 4166854A1 EP 22202147 A EP22202147 A EP 22202147A EP 4166854 A1 EP4166854 A1 EP 4166854A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat transfer
transfer fluid
heat
refrigerant
circulating pump
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22202147.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Arnold Wohlfeil
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vaillant GmbH filed Critical Vaillant GmbH
Publication of EP4166854A1 publication Critical patent/EP4166854A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D3/00—Hot-water central heating systems
    • F24D3/18—Hot-water central heating systems using heat pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D19/00—Details
    • F24D19/08—Arrangements for drainage, venting or aerating
    • F24D19/082—Arrangements for drainage, venting or aerating for water heating systems
    • F24D19/083—Venting arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D19/00—Details
    • F24D19/10—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F24D19/1006—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems
    • F24D19/1009—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for central heating
    • F24D19/1039—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for central heating the system uses a heat pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H15/00—Control of fluid heaters
    • F24H15/10—Control of fluid heaters characterised by the purpose of the control
    • F24H15/12—Preventing or detecting fluid leakage

Definitions

  • the invention relates to the rendering harmless of flammable gases containing refrigerant in a brine circuit, referred to below as the heat transfer fluid circuit, of a heat pump system.
  • heating circuits occasionally have to be vented because air can collect in the system. This usually happens due to leaks at elevated points in the heating circuit, where a leak in connection with negative pressure leads to air being sucked into the water circuit. In some cases, it is also air that is dissolved in top-up water and is released when it is heated.
  • brine-split systems in which brine is in the heating circuit or in an outdoor box or in a geothermal probe, and also for air conditioning systems.
  • additives are added to the heat transfer fluid circuit in addition to the actual heat transfer medium, usually water. These are usually antifreeze or anti-corrosion agents.
  • flammable refrigerants are now used as working fluids in heat pumps and in cooling and freezing systems, which have the advantage of not damaging either the climate or the ozone layer if they are accidentally released.
  • due to their flammability such an accidental release should be avoided as far as possible.
  • the heat exchangers which act as condensers and evaporators are used and which are connected to the heat transfer fluid circuit, i.e. the heating circuit or cooling brine circuit, via their exchange surfaces.
  • the working fluid in the refrigeration circuit is under a higher pressure than the heat transfer fluid in the heating circuit or cooling brine circuit, so it could easily get into the heat transfer fluid circuit, which is under lower pressure, in the event of leaks.
  • double-walled heat exchangers are used in the conventional prior art, such as those described in the patent specifications DE 11 2019 001 344 T5 , DE 11 2019 001 350 T5 and DE 11 2019 001 351 T5 are described for heat pumps that lead the working fluid R290 to a water-propylene glycol brine as the heat transfer fluid.
  • this use leads to a loss of efficiency, since the materials, such as stainless steel, conduct heat poorly and the thin air gap between the heat transfer surfaces acts as insulation. In practice, this means that higher temperature differences have to be set in the heat exchangers, which reduces the efficiency of heat pumps.
  • these double-walled heat exchangers can reduce the risk, they cannot eliminate it.
  • Propylene glycol is preferably added as an antifreeze to aqueous heat transfer fluid circuits. This has the advantage that it can be mixed with water as desired and in case from accidents is non-toxic to people and the environment.
  • An advantage of this antifreeze is that the solubility of R290 and other alkanes increases significantly.
  • Ethylene glycol is also commonly used.
  • a corrosion inhibitor is usually used to prevent corrosion.
  • Modern heat pumps can also be designed to be switchable between heating and air conditioning and can also produce hot water. This further increases the temperature changes occurring in the system. Further problems can arise from the fact that many heat pumps are not in operation all year round, but leaks can also occur outside of operation, for example if the brine in a solar thermal system heats up too much.
  • alkanes are non-polar, non-polar but water-soluble substances are added to the heating brine or heating water. These result in the dissolution behavior being significantly improved and, if they get from the working fluid circuit into the heat transfer fluid circuit due to leakage, they no longer have to be separated out as gas bubbles. However, it must be ensured that the working fluid that has escaped can be dissolved in the heat transfer fluid under all circumstances.
  • solubility-improving substances should be as uncomplicated as the addition of conventional corrosion inhibitors, preferably only every few years as part of maintenance work.
  • the dissolving power should preferably be so good that continued operation after the leak has been repaired without replacing the heat transfer fluid.
  • the object of the invention is therefore to ensure that gaseous alkane-containing working fluid components can be reliably dissolved in the heat transfer fluid and remain dissolved in the heat transfer fluid.
  • the invention solves the problem by additives in the heat transfer fluid in connection with a mixing process and a mixing station.
  • the invention solves the problem with an additive for increasing the solubility of alkanes dissolved in heat transfer fluid, the heat transfer fluid being a mixture of water, antifreeze and corrosion inhibitors, the additive being at least one water-soluble hydrocarbon compound.
  • the medium-length, water-soluble hydrocarbon compound is selected from a group consisting of alcohols, alkanoic acids, fatty acids, fats, aldehydes and ketones.
  • This is preferably either ethanol or a soap or a sugar compound or mixtures thereof.
  • it can also be a medium-chain ionic liquid.
  • coated nanoparticles, on the surface of which alkanes are adsorbed, can be added.
  • the problem with a larger crack and a rapid escape of working fluid is that the heat transfer fluid is displaced over long distances by the gaseous working fluid, since the working fluid is usually under significantly higher pressure than the heat transfer fluid.
  • This displacement means, on the one hand, that the heat transfer fluid cannot develop its dissolving effect and, on the other hand, that conventional conveying devices such as high-efficiency circulating pumps run dry and are damaged, but also that they can no longer convey heat transfer fluid, so-called gas bags occur.
  • the gas bags can no longer be safely removed from the heat transfer fluid circuit if the flow collapses, and only a small amount of the alkane-containing gas in the heat transfer fluid would be able to be released.
  • a mixing station which causes gaseous working fluid in the heat transfer fluid to be brought into contact with a sufficient amount of heat transfer fluid to dissolve it before it can get into the brine circuit.
  • the circulating pumps for the heat transfer fluid are arranged on the inflow side of the respective heat exchanger. To ensure, that in the event of a leak, the working fluid cannot push the heat transfer fluid through the circulating pump in the opposite direction to the intended flow direction and reach the circulating pump in this way, the circulating pump is secured by a non-return valve.
  • a closed reservoir for heat transfer fluid is arranged on the outflow side of the respective heat exchanger.
  • Such reservoirs are often used anyway for temporary storage of heat transfer fluid; if so, such a container can be used.
  • Heat transfer fluid constantly flows through it during operation.
  • a float which, in the event of a gas leak, sends a signal to a circulating pump as it sinks.
  • This circulating pump has forced delivery, for example Roots pumps or peristaltic pumps are suitable, and carries out pumping through the reservoir.
  • a static mixer is run through.
  • the addition to the reservoir can be done, for example, by a spray device in the top area of the container.
  • the heat transfer fluid circuit can initially continue to be operated until the defective heat exchanger has been replaced or repaired.
  • the heat pump 1 shows a process flow diagram with one mixing device for each heat exchanger.
  • the heat pump 1 has a counterclockwise cyclic process 2 with a compressor 3 , a condenser 4 , an expansion valve 5 and an evaporator 6 .
  • the heat transfer fluid 7 is drawn off from the condenser 4 and fed into the mixing station 100 via the connecting line 11 .
  • the mixing container 101 which is usually completely filled with heat transfer fluid.
  • the float switch 102 indicates that there is no gas or that it is not accumulating in the upper area of the mixing container. If there are traces of working fluid in the heat transfer fluid, they would dissolve in the mixing container.
  • the heat transfer fluid can therefore be fed to the heating circuit via the valve 104 and the connecting line 12 as heated heat transfer fluid. After the heat has been released, it is fed back into the return flow 8 of the condenser 4 by the circulating pump 10 and the non-return valve 9 .
  • the float switch 102 triggers a signal which sets the circulating pump 105 with forced delivery in motion.
  • the gas-liquid mixture is fed from the mixing tank into the static mixer 103 and the connection to the circulating pump 105 is activated in the valve 104 , while the distribution valve 104 blocks the inflow into the connecting line 12 .
  • the path into the heating circuit can be opened again via the valve 104 .
  • the shut-off valve 13 serves only as a safety measure and can remain closed during the entire mixing process. Only in special cases, when there is already gas in the heating circuit, can the shut-off valve 13 be opened and a backflow into the connecting line 11 can take place with subsequent mixing in the Mixing station 100. This makes sense above all if the mixing station 100 is used as a mobile station, which is only connected when there are other indications that there is undissolved working fluid in the heating circuit.
  • the mixing station 200 corresponds to the mixing station 100.
  • the circulating pump 16 conveys heat transfer fluid via the non-return valve 15 into the inflow 14 of the evaporator 6, where the heat transfer fluid leaves via the outflow 17 and is fed into the mixing station 200 via the connecting line 18.
  • the float switch 202 indicates that there is no gas or that it is not accumulating in the upper area of the mixing container.
  • the static mixer 203 corresponds to the static mixer 103, the distribution valve 204 to the distribution valve 104, the circulating pump 205 to the circulating pump 105, each with forced delivery, the connecting line 19 to the connecting line 12, the shut-off valve 20 to the shut-off valve 13.

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Abstract

Es wird bewirkt, dass sich im Wärmeträgerfluid gasförmige alkanhaltige Arbeitsfluidbestandteile sicher lösen können und im Wärmeträgerfluid gelöst verbleiben. Die Erfindung löst die Aufgabe durch Zusatzmittel zur Erhöhung der Löslichkeit von in Wärmeträgerfluid gelösten Alkanen, wobei das Wärmeträgerfluid eine Mischung aus Wasser, Frostschutzmittel und Korrosionsinhibitoren ist, wobei das Zusatzmittel mindestens eine wasserlösliche Kohlenwasserstoffverbindung ist, in Verbindung mit einem Mischverfahren und einer Mischstation.

Description

  • Die Erfindung betrifft die Unschädlichmachung kältemittelhaltiger entzündlicher Gase in einem Solekreislauf, im Folgenden als Wärmeträgerfluidkreislauf bezeichnet, eines Wärmepumpensystems.
  • Einerseits ist bekannt, dass Heizkreisläufe gelegentlich entlüftet werden müssen, da sich Luft im System ansammeln kann. Meist geschieht dies durch Undichtigkeiten an erhöhten Stellen im Heizkreislauf, bei denen eine Undichtigkeit in Verbindung mit Unterdruck zum Ansaugen von Luft in den Wasserkreislauf führt. In manchen Fällen handelt es sich auch um Luft, die in Nachfüllwasser gelöst ist und die bei dessen Erwärmung freigesetzt wird. Dasselbe gilt für Sole-Split-Anlagen, bei denen sich Sole im Heizkreis oder in einer Außenbox oder in einer Erdsonde befindet und auch für Klimaanlagen. Je nachdem, welche Zwecke ein solcher Wärmeträgerfluidkreislauf erfüllen oder welche Umgebungsbedingungen er zu bewältigen hat, sind neben dem eigentlichen Wärmeträger, meistens Wasser, auch Additive dem Wärmeträgerfluidkreislauf hinzugesetzt. Hierbei handelt es sich meist um Frostschutzmittel oder Korrosionsschutzmittel.
  • Andererseits werden inzwischen in Wärmepumpen und in Kühl- und Gefrieranlagen entzündliche Kältemittel als Arbeitsfluide verwendet, die den Vorteil haben, bei ihrer versehentlichen Freisetzung weder das Klima noch die Ozonschicht zu schädigen. Eine solche versehentliche Freisetzung ist aufgrund deren Brennbarkeit aber möglichst zu vermeiden. In Kältekreisen, in denen solche Arbeitsfluide eingesetzt werden, können solche unbeabsichtigten Freisetzungen über die Wärmeübertrager passieren, die als Verflüssiger und Verdampfer zum Einsatz kommen und die mit dem Wärmeträgerfluidkreislauf, also dem Heizungskreislauf oder Kühlsolekreislauf, über ihre Austauschflächen verbunden sind. Im Unterschied zu herkömmlichen Gasbrennkesseln steht das Arbeitsfluid im Kältekreis unter einem höheren Druck als das Wärmeträgerfluid im Heizkreis oder Kühlsolekreis, es könnte also bei Leckagen leicht in den unter geringerem Druck stehenden Wärmeträgerfluidkreislauf gelangen.
  • Um dies so weit wie möglich zu verhindern, werden im herkömmlichen Stand der Technik teure doppelwandige Wärmeübertrager verwendet, wie sie beispielsweise in den Patentschriften DE 11 2019 001 344 T5 , DE 11 2019 001 350 T5 und DE 11 2019 001 351 T5 für Wärmepumpen beschrieben sind, die das Arbeitsfluid R290 gegen eine Wasser-Propylenglykol-Sole als Wärmeträgerfluid führen. Neben dem hohen Preis führt dieser Einsatz aber zu Effizienzverlusten, da die Materialien, wie beispielsweise etwa Edelstahl, Wärme schlecht leiten und der dünne Luftspalt zwischen den Wärmeübertragerflächen wie eine Isolierung wirkt. Praktisch bedeutet dies, dass höhere Temperaturdifferenzen in den Wärmeübertragern eingestellt werden müssen, was den Wirkungsgrad von Wärmepumpen herabsetzt. Diese doppelwandigen Wärmeübertrager können das Risiko zwar verringern, aber ausschließen können sie es nicht.
  • Solche gasförmigen Bestandteile, die trotzdem über Leckagen in den Wärmeträgerfluidkreislauf gelangen, könnten zwar mittels Gasabscheidern abgeschieden werden, es verbleiben aber gelöste und sehr feinblasige Gasbestandteile. Diese könnten bei Temperatur- und Druckänderungen Probleme bereiten, indem sie an ungünstigen Stellen im Wärmeträgerfluidkreislauf ausgasen, wenn sich ihre Löslichkeit temperaturbedingt verschlechtert. Dies betrifft vor allem das inzwischen häufig eingesetzte Propan im Kältemittel R290, aber auch Isobutan im Kältemittel R600a, n-Butan in R600, Propylen in R1270 sowie weitere Alkane.
  • Als Frostschutzmittel wird wässrigen Wärmeträgerfluidkreisläufen bevorzugt Propylenglykol zugesetzt. Dies hat den Vorteil, dass es mit Wasser beliebig mischbar und im Falle von Havarien gegenüber Mensch und Umwelt ungiftig ist. Ein Vorteil dieses Frostschutzmittels ist dabei, dass sich die Löslichkeit von R290 sowie anderen Alkanen erheblich vergrößert. Ebenfalls verwendet wird häufig auch Ethylenglykol. Zur Vermeidung von Korrosion wird üblicherweise ein Korrosionsinhibitor eingesetzt.
  • Moderne Wärmepumpen können auch umschaltbar zwischen Heizbetrieb und Klimabetrieb ausgelegt werden und außerdem Warmwasser bereiten. Dies erhöht die im System auftretenden Temperaturänderungen noch weiter. Weitere Probleme können sich daraus ergeben, dass viele Wärmepumpen nicht ganzjährig in Betrieb sind, Leckagen aber auch außerhalb des Betriebs auftreten können, etwa wenn sich Sole in einer solarthermischen Anlage zu stark aufheizt.
  • Es soll daher möglichst verhindert werden, dass das Arbeitsfluid im Wärmeträgerfluid ungelöst vorliegt oder aus der Lösung geht. Dann kann es bei Temperaturschwankungen auch nicht an ungünstigen Stellen ausgasen und beim Mischen mit Luft zündfähige Gemische bilden.
  • Da Alkane unpolar sind, werden der Heizsole oder dem Heizungswasser unpolare, aber wasserlösliche Stoffe hinzugefügt. Diese führen dazu, dass sich das Lösungsverhalten erheblich verbessert und, wenn sie leckagebedingt aus dem Arbeitsfluidkreislauf in den Wärmeträgerfluidkreislauf gelangen, nicht mehr als Gasblasen abgeschieden werden müssen. Es ist allerdings dafür Sorge zu tragen, dass sich das ausgetretene Arbeitsfluid unter allen Umständen im Wärmeträgerfluid lösen kann.
  • Die Zugabe der lösungsverbessernden Stoffe soll dabei so unkompliziert erfolgen können wie die Zugabe üblicher Korrosionsinhibitoren, vorzugsweise nur alle paar Jahre im Rahmen von Wartungsarbeiten. Vorzugsweise soll das Lösungsvermögen so gut sein, dass ein Weiterbetrieb nach Reparatur der Leckage ohne Austausch von Wärmeträgerfluid möglich ist.
  • Beim Hinzufügen lösungsverbessernder Stoffe beachtet der Fachmann mit Blick auf die vorliegenden Verhältnisse bei der Auswahl und Dosierung, dass verhindert wird, dass
    • der lösungsverbessernde Stoff mit den übrigen Bestandteilen des Wärmeträgerfluids chemisch reagiert,
    • Mischungslücken entstehen, in denen Entmischung auftreten kann,
    • sich das Fließverhalten des Wärmeträgerfluids ungünstig verändert, etwa indem es in bestimmten Temperaturbereichen zähflüssig werden kann,
    • dass das Leitungssystem korrodiert oder dass der lösungsverbessernde Stoff die antikorrosive Wirkung des zugesetzten Korrosionsschutzmittels herabsetzt,
    • dass der Gefrierpunkt eines Gefrierschutzmittels steigt,
    • das Wärmeträgerfluid schäumt.
  • Diese Bedingungen sollen im Folgenden genauer betrachtet werden. Zunächst ist das Lösungsvermögen ohne Zusätze zu betrachten. Reines Wasser löst Alkane bekanntlich sehr schlecht, das Arbeitsfluid R290 - Propan - wird aber bei höheren Drücken und niedriger Temperatur in Wasser vergleichsweise gut gelöst. Kommt auch noch Glykol hinzu, üblich sind als Frostschutzmittel Propylenglykol und Ethylenglykol, steigt die Löslichkeit im Arbeitsfluid weiter an. Das heißt, es bedarf bei Sole weniger weitreichender Maßnahmen als bei einfachem Heizungswasser.
  • Die Kombination von Propan bzw. R290 als Arbeitsfluid für Kältemaschinen und Propylenglykol als Arbeitsfluid ist bereits gut bekannt. In der Druckschrift "Frank Hillerns, Thermophysikalische Eigenschaften und Korrosionsverhalten von Kälteträgern, DIE KÄLTE Klimatechnik 10/1999" wird das Verhalten solcher Solen sowie möglicher Alternativen ausführlich beschrieben. Als Alternativen werden vor allem Kälteträger auf der Basis organischer Salze auf Acetat- bzw. Formiatbasis vorgestellt. Kälteträger und notwendige Korrosionsinhibitoren dürfen nicht chemisch miteinander reagieren. Die verfügbaren Kältemittelkonzentrate enthalten auch Härtestabilisatoren, Entschäumer und ggf. Farbstoffe. Auch hier sind chemische Reaktionen zu vermeiden. Eine detaillierte Darstellung findet sich hierzu auch in der EP 897 417 B1 .
  • Die Aufgabe der Erfindung ist daher, zu bewirken, dass sich im Wärmeträgerfluid gasförmige alkanhaltige Arbeitsfluidbestandteile sicher lösen können und im Wärmeträgerfluid gelöst verbleiben. Die Erfindung löst die Aufgabe durch Zusatzmittel im Wärmeträgerfluid in Verbindung mit einem Mischverfahren und einer Mischstation.
  • Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein Zusatzmittel zur Erhöhung der Löslichkeit von in Wärmeträgerfluid gelösten Alkanen, wobei das Wärmeträgerfluid eine Mischung aus Wasser, Frostschutzmittel und Korrosionsinhibitoren ist, wobei das Zusatzmittel mindestens eine wasserlösliche Kohlenwasserstoffverbindung ist.
  • Insbesondere wird die mittellange, in Wasser lösliche Kohlenwasserstoffverbindung ausgewählt aus einer Gruppe, die gebildet ist aus Alkoholen, Alkansäuren, Fettsäuren, Fetten, Aldehyden und Ketonen. Dies sind vorzugsweise entweder Ethanol oder eine Seife oder eine Zuckerverbindung oder Mischungen daraus. Alternativ kann sie auch eine ionische Flüssigkeit mit mittellangen Ketten sein. Zusätzlich können beschichtete Nanopartikel, an deren Oberfläche Alkane adsorbiert werden beigemischt werden.
  • Wenn aus einem der Wärmeübertrager, die als Kondensator oder Verdampfer betrieben werden, Arbeitsfluid aus einer Leckage in einen der Wärmeträgerkreisläufe austritt, ist zunächst nicht bekannt, wie groß die Leckage ist und wie sich der zeitliche Verlauf des Austritts entwickeln wird. In vielen Fällen wird man den Arbeitsfluidkreislauf stoppen und das Arbeitsfluid einsperren oder abpumpen können. Die meisten Leckagen sind jedoch so klein, dass sie nicht auffallen. In diesen Fällen löst sich das Arbeitsfluid unproblematisch im erfindungsgemäßen Wärmeträgerfluid und die Anlage kann ohne weitere Maßnahmen bis zur nächsten Routinewartung weiterbetrieben werden.
  • Anders liegen die Dinge, wenn plötzlich eine größere Leckage auftritt, etwa durch einen großen Riss in einem der Plattenwärmeübertrager, etwa in der Folge von Verschmutzungen oder Spänen aus Montagerückständen, die sich im Wärmeträgerfluid befunden haben. Dann kann es sein, dass für Absperrmaßnahmen im Arbeitsfluidkreislauf nicht genug Zeit ist. Leider weiß man das nicht vorher, daher ist auch für diesen seltenen Fall Vorsorge zu treffen.
  • Das Problem bei einem größeren Riss und einem schnellen Austritt von Arbeitsfluid besteht darin, dass das Wärmeträgerfluid über weite Strecken vom gasförmigen Arbeitsfluid verdrängt wird, da das Arbeitsfluid üblicherweise unter deutlich höherem Druck steht, als das Wärmeträgerfluid. Diese Verdrängung bewirkt einerseits, dass das Wärmeträgerfluid seine lösende Wirkung nicht entfalten kann und andererseits, dass übliche Fördereinrichtungen wie Hocheffizienz-Umwälzpumpen trockenfallen und beschädigt werden, außerdem aber auch kein Wärmeträgerfluid mehr fördern können, es entstehen sogenannte Gassäcke. Man bekommt die Gassäcke also nicht mehr aus dem Wärmeträgerfluidkreislauf auf ungefährliche Weise wieder heraus, wenn die Strömung zusammenbricht und es würde sich auch nur wenig aus dem alkanhaltigen Gas im Wärmeträgerfluid lösen können.
  • Um dies zu verhindern, wird eine Mischstation vorgesehen, die bewirkt, dass gasförmiges Arbeitsfluid im Wärmeträgerfluid mit einer zum Lösen ausreichenden Menge Wärmeträgerfluid in Kontakt gebracht wird, bevor es in den Solekreislauf gelangen kann.
  • Hierzu wird vorgesehen, dass die Umwälzpumpen für das Wärmeträgerfluid auf der Zuströmseite des jeweiligen Wärmeübertragers angeordnet werden. Um sicherzustellen, dass bei einem leckagebedingten Austritt das Arbeitsfluid das Wärmeträgerfluid nicht in Gegenrichtung zur vorgesehenen Strömungsrichtung durch die Umwälzpumpe drücken kann und auf diesem Weg in die Umwälzpumpe gelangt, wird die Umwälzpumpe durch eine Rückflusssperre gesichert.
  • Auf der Abströmseite des jeweiligen Wärmeübertragers wird ein geschlossener Vorratsbehälter für Wärmeträgerfluid angeordnet. Solche Vorratsbehälter werden zur Zwischenspeicherung von Wärmeträgerfluid oft ohnehin verwendet; wenn dies der Fall ist, kann ein solcher Behälter verwendet werden. Er wird ständig während des Betriebs mit Wärmeträgerfluid durchströmt. Im oberen Bereich des Vorratsbehälters ist ein Schwimmer vorgesehen, der im Falle eines Gaseinbruchs durch sein Absinken ein Signal an eine Umwälzpumpe gibt. Diese Umwälzpumpe weist eine Zwangsförderung auf, beispielsweise sind Rootspumpen oder Schlauchpumpen geeignet, und führt einen Umpump durch den Vorratsbehälter durch. Optional wird dabei ein statischer Mischer durchlaufen. Die Zugabe in den Vorratsbehälter kann beispielsweise durch eine Sprühvorrichtung im Kopfbereich des Behälters erfolgen. Sobald der Schwimmer signalisiert, dass sich kein Gasvolumen ungelösten Gases mehr im Vorratsbehälter befindet, kann der Wärmeträgerfluidkreislauf zunächst weiterbetrieben werden, bis der defekte Wärmeübertrager ausgetauscht oder repariert ist.
  • Für diese Umwälzpumpe mit Zwangsförderung können kleine Dimensionierungen gewählt werden, ebenso für den nachgeschalteten statischen Mischer. Beides kann als Satz zusammen mit dem Schwimmer in den Vorratsbehälter integriert werden. Alternativ ist es auch möglich, dass der Schwimmer lediglich den Wärmeträgerfluidumlauf absperrt, bis im Rahmen einer Reparatur eine Vorrichtung mit Umpump an vorzusehende Anschlüsse des Vorratsbehälters angeschlossen wird.
  • Fig. 1 zeigt ein Verfahrensfließbild mit je einer Mischvorrichtung für jeden Wärmeübertrager. Die Wärmepumpe 1 weist einen linksdrehenden Kreisprozess 2 mit einem Verdichter 3, einem Kondensator 4, einem Entspannungsventil 5 und einem Verdampfer 6 auf. Im Heizbetrieb wird das Wärmeträgerfluid 7 aus dem Kondensator 4 abgezogen und über die Verbindungsleitung 11 in die Mischstation 100 geführt. Dort durchläuft es den Mischbehälter 101, der im Regelfall vollständig mit Wärmeträgerfluid gefüllt ist. Der Schwimmerschalter 102 zeigt in diesem Regelfall an, dass sich kein Gas im oberen Bereich des Mischbehälters befindet oder ansammelt. Sofern sich Spuren von Arbeitsfluid im Wärmeträgerfluid befinden sollten, würden diese im Mischbehälter in Lösung gehen. Das Wärmeträgerfluid kann daher über das Ventil 104 und die Verbindungsleitung 12 als erwärmtes Wärmeträgerfluid dem Heizkreis zugeführt werden. Nach Abgabe der Wärme wird es von der Umwälzpumpe 10 und die Rückflusssperre 9 wieder in den Rücklauf 8 des Kondensators 4 geleitet.
  • Für den Fall, dass sich jedoch gasförmiges Arbeitsfluid im oberen Bereich des Mischbehälters sammeln sollte, was nur bei einer großen Leckage geschehen kann, löst der Schwimmerschalter 102 ein Signal aus, welches die Umwälzpumpe 105 mit Zwangsförderung in Gang setzt. Außerdem wird aus dem Mischbehälter das Gas-Flüssigkeitsgemisch in den statischen Mischer 103 geleitet und im Ventil 104 wird die Verbindung mit der Umwälzpumpe 105 freigeschaltet, während das Verteilventil 104 den Zufluss in die Verbindungsleitung 12 sperrt. Sobald der Schwimmerschalter 102 anzeigt, dass das gasförmige Arbeitsfluid in Lösung gegangen ist, kann der Weg in den Heizungskreislauf über das Ventil 104 wieder freigeschaltet werden.
  • Das Absperrventil 13 dient dabei lediglich als Sicherheit und kann während des gesamten Mischvorgangs geschlossen bleiben. Nur in Sonderfällen, wenn sich bereits Gas im Heizungskreislauf befindet, kann das Absperrventil 13 geöffnet werden und es kann eine Rückströmung in die Verbindungsleitung 11 erfolgen mit anschließender Mischung in der Mischstation 100. Das ist vor allem dann sinnvoll, wenn die Mischstation 100 als mobile Station genutzt wird, die erst dann angeschlossen wird, wenn sich aufgrund anderer Anzeichen zeigt, dass sich ungelöstes Arbeitsfluid im Heizungskreis befindet.
  • Auf der kalten Seite mit dem Verdampfer 6 wird dasselbe Schema in analoger Weise verwendet. Hierbei entspricht die Mischstation 200 der Mischstation 100. Die Umwälzpumpe 16 fördert über die Rückflusssperre 15 Wärmeträgerfluid in den Zufluss 14 des Verdampfers 6, wo das Wärmeträgerfluid über den Abfluss 17 verlässt und über die Verbindungsleitung 18 in die Mischstation 200 geführt. Dort durchläuft es den Mischbehälter 201, der im Regelfall vollständig mit Wärmeträgerfluid gefüllt ist. Der Schwimmerschalter 202 zeigt in diesem Regelfall an, dass sich kein Gas im oberen Bereich des Mischbehälters befindet oder ansammelt. Der statische Mischer 203 entspricht dem statischen Mischer 103, das Verteilventil 204 dem Verteilventil 104, die Umwälzpumpe 205 der Umwälzpumpe 105, jeweils mit Zwangsförderung, die Verbindungsleitung 19 der Verbindungsleitung 12, das Absperrventil 20 dem Absperrventil 13.
    • Liste der Bezugszeichen
    • 1
    Wärmepumpe
    2
    Kreisprozess
    3
    Verdichter
    4
    Kondensator
    5
    Entspannungsventil
    6
    Verdampfer
    7
    Wärmeträgerfluid
    8
    Rücklauf
    9
    Rückflusssperre
    10
    Umwälzpumpe
    11
    Verbindungsleitung
    12
    Verbindungsleitung
    13
    Absperrventil
    14
    Zufluss
    15
    Rückflusssperre
    16
    Umwälzpumpe
    17
    Abfluss
    18
    Verbindungsleitung
    19
    Verbindungsleitung
    20
    Absperrventil
    100
    Mischstation
    101
    Mischbehälter
    102
    Schwimmerschalter
    103
    Statischer Mischer
    104
    Ventil
    105
    Umwälzpumpe
    200
    Mischstation
    201
    Mischbehälter
    202
    Schwimmerschalter
    203
    Statischer Mischer
    204
    Ventil
    205
    Umwälzpumpe

Claims (10)

  1. Mischstation zum Vermischen von alkanhaltigem Gas aus einer Leckage, die in einem Wärmeübertrager einer Wärmepumpe (1) auftritt, die Wärmepumpe (1) einen linksdrehenden thermodynamischen Kreisprozess (2) mittels eines alkanhaltigen Arbeitsfluids, welches in einem geschlossenen, hermetisch dichten Arbeitsfluidumlauf geführt wird, aufweisend, ferner mindestens einen Verdichter (3) für Arbeitsfluid, mindestens eine Entspannungseinrichtung (5) für Arbeitsfluid, mindestens zwei Wärmeübertrager (4, 6) für Arbeitsfluid mit jeweils mindestens zwei Anschlüssen (7, 8, 14, 17) für Wärmeüberträgerfluide, von denen wenigstens eine an einen Wärmeträgerumlauf mit einem Wärmeträgerfluid und einer Umwälzpumpe (10, 16) angeschlossen ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - die Umwälzpumpe (10, 16) auf der Zuströmseite des Wärmeübertragers (4, 6) angeordnet ist und zwischen der Umwälzpumpe (10, 16) und dem Wärmeübertrageranschluss (8, 14) eine Rückflusssperre (9, 15) vorgesehen ist, welche ein Rückströmen aus Richtung des Wärmeübertragers (4, 6) verhindert,
    - auf der Abströmseite (7, 17) des Wärmeübertragers (4, 6) ein Behälter (101, 201) mit Wärmeträgerfluid angeschlossen ist,
    - der Behälter (101, 201) mit einem Schwimmerschalter (102, 202) im oberen Bereich ausgestattet ist,
    - der Behälter (101, 201) einen Anschluss an einen statischen Mischer (103, 203) und eine Umwälzpumpe (105, 205) mit Zwangsförderung aufweist,
    - Die Umwälzpumpe (105, 205) mit Zwangsförderung eine Rückführleitung zum Behälter (101, 201) aufweist,
    - der Behälter (101, 201) oder der statische Mischer (103, 203) oder die Umwälzpumpe (105, 205) mit Zwangsförderung mit dem Wärmeträgerumlauf verbunden ist.
  2. Mischstation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (101, 201) mit dem Schwimmerschalter (102, 202), der Umwälzpumpe (105, 205) mit Zwangsförderung und dem statischen Mischer (103, 203) eine bauliche Einheit bildet, die als ganze demontierbar oder zuschaltbar gestaltet ist und im Nebenstrom betrieben werden kann.
  3. Mischstation nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Wärmeübertrager (4, 6) und Behälter (101, 201) ein Gas-Flüssigkeitsabscheider angeordnet ist, und der gasförmige Anteil entweder durch eine Leitung ins Freie oder in den Anschluss zum Behälter (101, 201) geführt wird.
  4. Verfahren zum Lösen von kältemittelhaltigem Gas aus einer Leckage eines Wärmeübertragers einer Wärmepumpe, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmeträgerfluid ein Zusatzmittel zur Erhöhung der Löslichkeit von in Wärmeträgerfluid gelösten Kältemittel zugemischt wird und das Wärmeträgerfluid aus dem Wärmeübertrager in eine Mischstation entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 3 geleitet wird, und das gasförmige Kältemittel solange in dieser Mischstation zirkuliert wird, bis sich das Kältemittel vollständig im Wärmeträgerfluid gelöst hat und das Wärmeträgerfluid mit dem gelösten Kältemittel danach in den Wärmeträgerumlauf geleitet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorhandensein ungelösten gasförmigen Arbeitsfluids mittels eines Schwimmerschalters (102, 202) oder eines Gas-Flüssigkeitsabscheiders gemessen wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei das Wärmeträgerfluid wässrige Sole mit Zusätzen von Frostschutzmittel und Korrosionsinhibitoren und das Kältemittel ein Paraffin oder ein Olefin oder eine Mischung daraus ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Löslichkeit von in Wärmeträgerfluid gelöstem Kältemittel soviel wasserlösliche Kohlenstoff-Wasserstoff-Sauerstoff-Verbindungen zugemischt werden, dass sich alles in die Sole eingetretene Kältemittel in der Sole löst.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zuzumischenden wasserlöslichen Kohlenstoff-Wasserstoff-Sauerstoff-Verbindungen ausgewählt werden aus einer Gruppe, die gebildet ist aus Alkoholen, Alkansäuren, Fettsäuren, Fetten, Aldehyden und Ketonen, jeweils mit Kettenlängen von 2 bis 6 Kohlenstoffatomen.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zuzumischende wasserlösliche Kohlenstoff-Wasserstoff-Sauerstoff-Verbindung Ethanol ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zuzumischende wasserlösliche Kohlenstoff-Wasserstoff-Sauerstoff-Verbindung eine Seife ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zuzumischende wasserlösliche Kohlenstoff-Wasserstoff-Sauerstoff-Verbindung eine Zuckerverbindung ist.
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