EP4462034B1 - Zweistufig adsorptiv wirksames sicherheitskonzept - Google Patents

Zweistufig adsorptiv wirksames sicherheitskonzept

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EP4462034B1
EP4462034B1 EP24174255.0A EP24174255A EP4462034B1 EP 4462034 B1 EP4462034 B1 EP 4462034B1 EP 24174255 A EP24174255 A EP 24174255A EP 4462034 B1 EP4462034 B1 EP 4462034B1
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EP
European Patent Office
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adsorber
heat pump
pump housing
internal
external
Prior art date
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EP24174255.0A
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EP4462034A1 (de
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Christof Krampe-Zadler
Hans-Josef Spahn
Tobias Lingk
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Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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Publication date
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Publication of EP4462034B1 publication Critical patent/EP4462034B1/de
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    • F24H9/02—Casings; Cover lids; Ornamental panels
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
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    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/02—Heat pumps of the compression type

Definitions

  • the invention relates to an adsorptive protective device for use in heat pumps with hazardous refrigerants for domestic energy supply. If these refrigerants are unintentionally released, they can be harmful to the environment and climate, toxic to humans, or flammable. Such a release must therefore be prevented.
  • the adsorbive protective device is implemented in a two-stage design, with both stages operating independently of each other. The stages comprise an actively flowed-through and a passively flowed-through sorption bed.
  • the sorption can be physical adsorption, chemical chemisorption, or a combination of both. Hereinafter, the term adsorption will be used.
  • a device for the safe execution of a left-handed thermodynamic cycle, in particular a heat pump, with flammable and/or toxic refrigerants is known.
  • the refrigerant is circulated in a closed, hermetically sealed working fluid circuit, comprising at least one compressor for the working fluid, at least one expansion device for the working fluid, at least two heat exchangers for the working fluid, each with at least two sink-side and source-side connections for heat transfer fluids, an inner housing that encompasses all components connected to the closed working fluid circuit and may include further components, and at least one external adsorber, which provides at least one pneumatic connection via the sorbent between the inner housing and the installation room.
  • This path, which the refrigerant-containing gas takes from Whether the interior can be taken through the Sorbian soil into the installation environment remains an open question.
  • a further device for the safe operation of a left-hand thermodynamic cycle, in particular a heat pump, with flammable and/or toxic refrigerants is known, in which the refrigerant is also circulated in a closed, hermetically sealed working fluid circuit, comprising at least one compressor for the working fluid, at least one expansion device for the working fluid, at least two heat exchangers for the working fluid, each with at least two sink-side and source-side connections for heat transfer fluids, an inner housing which encompasses all devices connected to the closed working fluid circuit and may include further devices, and at least one external adsorber which provides at least one pneumatic connection via the sorbent between the inner housing and the installation room.
  • the device is designed such that, in the event of overpressure in the inner housing, it is lifted, thereby opening the path through an external adsorber in which the refrigerant is separated. In the depressurized state, this path is always closed by the sorbent.
  • the function of the external adsorber is to remove any gaseous refrigerant escaping from the refrigeration circuit in the event of a leak.
  • the external adsorber is filled with an adsorbent.
  • This type of technology is described, for example, in the DE 10 2011 116 863 A1 A method for securing a device for a thermodynamic cycle operated with a process fluid containing or consisting of at least one environmentally hazardous, toxic, and/or flammable 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.
  • DE 195 25 064 C1 describes a refrigeration machine with a gas-tight housing that accommodates all refrigerant-carrying components of the machine, a space connecting the interior of the gas-tight housing to an outlet, and a space filled with a refrigerant-absorbing substance.
  • the sorption bed presents a flow resistance which, in the event of a leak, leads to a pressure increase within the refrigeration circuit casing.
  • the free volume of the inner casing becomes saturated with refrigerant in the gas phase.
  • the internal pressure increase in the slightly pressurized refrigeration circuit casing generates an equalizing flow through the external adsorber towards the installation room, and the refrigerant is absorbed by the sorbent within the external adsorber. After the pressure potential towards the installation room has equalized, the flow from the refrigeration circuit casing into the external adsorber decreases until it comes to a standstill.
  • a refrigerant partial pressure develops in the inner housing, depending on the adsorbent's loading state at the inlet of the outer adsorber. Due to the high adsorbent loading at the inlet of the outer adsorber, a high, potentially flammable concentration results, creating a critical atmosphere within the free volume of the refrigeration circuit housing. The hazard potential is derived from the size of this free volume. The same applies to any toxic or other hazardous refrigerant leaks. Therefore, opening the housing for repair purposes is not readily possible.
  • the object of the invention is therefore to provide a sorption device in which the described problems no longer occur.
  • At least one device for separating leakage-related contamination from the air in the casing of a heat pump which is to be installed in a building and in which a closed refrigeration circuit with a hazardous refrigerant is operated, by sorptive measures, wherein at least one outer adsorber is provided which is pneumatically connected to the environment of the heat pump casing and to the interior of the heat pump casing, and has an inlet side to the interior of the heat pump casing and an outlet side to the interior of the building, wherein furthermore at least one inner adsorber is provided which is pneumatically connected to the interior of the heat pump casing, but has no pneumatic connection to the environment of the heat pump casing and only at least one inlet side from the interior of the heat pump casing.
  • Such an additional adsorber connected to the inner casing hereinafter referred to as an internal adsorber, which is not pneumatically connected to the installation space and therefore not subject to airflow, represents at least one separate sorptive collection capacity for the refrigerant in the gas phase.
  • Such an internal adsorber does not necessarily have to be located inside the heat pump casing; it can also be, for example, attached externally, connected to the inner casing only via an opening. This has the advantage that it can be retrofitted and easily replaced if necessary. It is also advantageous to provide a multitude of such internal adsorbers in the free spaces within the heat pump casing instead of a single internal adsorber.
  • this internal adsorber Due to the prevention of active flow, the sorption kinetics of this internal adsorber are significantly reduced compared to that of the external adsorber; typically, the factor is between 0.01 and 0.8. This gives the internal adsorber the property of adsorbing the refrigerant in the gas phase within the interior space with a time delay, thus reducing the gas concentration to a non-critical range.
  • each internal adsorber must be protected against liquid ingress from inside the heat pump casing.
  • the position and shape of the internal adsorbers can be adapted to the available installation space.
  • the casing housing the adsorbent must be designed to prevent any escaping fluid, except for refrigerant, from entering the liquid phase.
  • Inlet openings must be provided in the upper area of the internal adsorber and in the upper area inside the heat pump casing. These openings must be designed to prevent direct refrigerant jets from flowing onto the adsorption bed.
  • the geometry of the external adsorber should be dimensioned such that, in the event of a leak, the impedance of the sorption bed for the escaping refrigerant and the displaced air from the remaining volume of the heat pump's inner casing is so low that the pressure rise should not exceed 50 kPa.
  • the pressure drop across the adsorber bed is significantly lower, so that no high pressure can build up in the inner casing.
  • the opening cross-section of the external adsorber towards the internal volume of the heat pump housing A ⁇ sub>in ⁇ /sub> should be significantly larger than the opening cross-section of the external adsorber towards the installation room A ⁇ sub> out ⁇ /sub> . This results in a significantly higher impedance for the non-absorbing air flowing into the installation room.
  • the inlet area relative to the amount of refrigerant in the refrigeration circuit is between 50 cm2 /kg R290 and 105 cm2 /kg R290, and the outlet area is between 1 cm2 /kg R290 and 105 cm2 /kg R290.
  • the free volume should be as small as possible to minimize the amount of air to be displaced, thus allowing the flow resistance encountered by the displaced air to be neglected.
  • the flow length L together with the cross-sectional profile and external geometry, ensures a defined impedance of the sorption bed. Again, the design should not generate a pressure rise above 50 kPa in the refrigeration circuit casing at maximum leakage rate.
  • the flow length through the external adsorber should range from 1 cm/kg R290 to 100 cm/kg R290.
  • the geometry of the internal absorber should be dimensioned such that, in the event of a leak, the impedance of the sorption bed for the escaping refrigerant and the displaced air from the remaining volume of the heat pump casing is sufficiently high, and the kinetics of the sorption process of the external adsorber are such that loading of the internal adsorber only occurs within a small penetration depth.
  • the geometry of the internal adsorber should be adapted according to the penetration rate.
  • the penetration rate is largely determined by the sorptive properties of the adsorbent and the geometry of the sorbent particle.
  • the sorbent is The geometric specifications and chemical-physical data are described. In addition to the maximum loading capacity (isotherms), information on the sorption material is also provided.
  • the particle size is specified, which also influences the fixed-bed porosity and thus the flow characteristics of the sorption bed, and consequently the impedance.
  • the hydraulic diameter i.e., the mesh size, ranges from 0.01 mm to 15 mm. Due to the low penetration rate, the adsorbent can also form as a solid with a corresponding macroscopically porous structure or as a structured molded body.
  • the enclosure of the heat pump housing can be vertically or horizontally divided, with the shape of the heat pump housing being replicated accordingly.
  • the service opening can be left open. It is also possible to combine external internal adsorbers with sound insulation, for example by incorporating adsorbent particles into insulating materials, such as by filling them with open-cell foam.
  • a major advantage of such internal adsorbers is that during a leakage phase, only a small amount of refrigerant is initially adsorbed, and then, in the phase after the leakage ceases, sufficient adsorption capacity remains available to ensure that the concentration reduction within the heat pump casing is kept to a non-critical minimum. This has also been demonstrated in numerous test series with R290.
  • FIG. 1 shows a heat pump housing 1 with an external adsorber 10 and an internal adsorber 13.
  • a conventional left-hand rotating refrigeration circuit 4 is used, comprising a compressor 3, an expansion valve 5, an evaporator 6, and a condenser 7. These components can be expanded in various ways, for example, by adding a switching option for cooling purposes and a separate circuit for domestic hot water preparation.
  • the refrigeration circuit also includes heat sink connections 8 and heat source connections 9.
  • the external adsorber 10 conforms to conventional state-of-the-art technology and can be stretched, bent, folded, divided, and equipped with different layers of adsorbents. Furthermore, its cross-section can be varied across the bed depth, i.e., it can be stepped, linear, or discontinuous, either increasing or decreasing in width. Its specific design, however, is always determined in conjunction with the design of the internal adsorber 13 and based on the properties of the refrigerant and adsorbent.
  • the external adsorber 10 has at least one inlet area 11, which is directed into the interior of the heat pump housing, and an outlet area 12, which is connected to the environment, i.e., usually to the installation room, via a pneumatic connection. Alternatively, a connection to the The environment outside the building exists, or there is a switchability between the building interior and the outside world.
  • the inflowing quantity of the refrigerant-air mixture is greater than the outflowing quantity, which is depleted of the refrigerant gas components. Accordingly, not only the flow cross-sections of the external adsorber 10, but also the opening cross-sections 11 and 12 can be adapted to the expected gas volumes in their anticipated size; the dimensioning depends on the empty space volume and the refrigerant inventory of the heat pump.
  • the internal adsorber 13 is located inside the heat pump housing 1, with its opening situated in the upper area. This reliably prevents soot buildup due to liquid accumulation, such as condensation.
  • Fig. 2 Figure 1 shows a heat pump housing 1 with an external adsorber 10 and three internal adsorbers 131, 132, and 133. These three internal adsorbers 131, 132, and 133 fill the voids in the heat pump housing 1 between the individual components. They can also be formed from encased foams impregnated with an adsorbent. The remaining components correspond to those of the Fig. 1 .
  • Fig. 3 shows three versions of different internal adsorbers 131, 132 and 133, as used in Fig. 2 They are used, and are additionally equipped with refrigerant jet protection devices. In this case, these are the splash guard plates 134, which are fixed over the openings.
  • Fig. 4 shows a heat pump housing 1 with an external adsorber 10 and another internal adsorber 135 with several openings, which can also be divided.
  • FIG. 5 Figure 1 shows a heat pump housing 1 with an external adsorber 10 and an internal adsorber 136 integrated into the housing wall.
  • the opening of the internal adsorber 136 faces the interior; the choice of material for the internal adsorber 136 contributes to the housing stability.
  • FIG. 6 Figure 1 shows a heat pump housing 1 with an external adsorber 10 and an external internal adsorber 137, which is flanged to the outside of the heat pump housing 1. Instead of openings, a channel 15 is provided through which the refrigerant-air mixture can, if necessary, enter the external internal adsorber 137.
  • the channel 15 can be equipped with a shut-off device, thus allowing for easy replacement during routine maintenance.
  • FIG. 7 Figure 1 shows three variants of internal adsorbers 138, 16, and 139 that partially enclose the heat pump housing 1. Although they are located on the outside of the heat pump housing 1, they are internal adsorbers because their openings 17 point directly into the interior of the heat pump housing 1 and there is no pneumatic connection to the outside. This arrangement is particularly advantageous when the heat pump housing 1 is formed on its exterior by modular struts, which could also be used to seal and accommodate the enclosing internal adsorbers. It is advantageous if the internal adsorbers only enclose a portion of the heat pump housing 1 and the remaining, unenclosed portion is covered by the service opening and the external adsorber.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine adsorptive Schutzvorrichtung für den Einsatz in Wärmepumpen mit gefährlichen Kältemitteln zur Hausenergieversorgung. Bei ihrer unbeabsichtigten Freisetzung können diese Kältemittel schädlich für Umwelt und Klima oder toxisch für Menschen oder auch entzündlich sein. Eine solche Freisetzung ist daher zu verhindern. Hierbei ist eine sorptive Schutzvorrichtung in einem zweistufigen Aufbau realisiert, wobei beide Stufen voneinander unabhängig sind. Die Stufen beinhalten ein aktiv durchströmtes und ein nicht durchströmtes passives Sorptionsbett. Die Sorption kann dabei eine physikalische Adsorption oder eine chemische Chemisorption sein oder eine Kombination von beidem. Im Folgenden wird dafür der Begriff Adsorption verwendet.
  • Aus der Schrift DE 10 2019 114 738 A1 ist eine Vorrichtung zur sicheren Durchführung eines linksdrehenden thermodynamischen Kreisprozesses, insbesondere einer Wärmepumpe, mit entzündlichen und oder toxischen Kältemitteln bekannt. Dabei wird das Kältemittel 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 senken- bzw. quellenseitigen Anschlüssen für Wärmeüberträgerfluide, ein inneres Gehäuse, welches alle am geschlossenen Arbeitsfluidumlauf angeschlossenen Einrichtungen umfasst und weitere Einrichtungen umfassen kann und mindestens einen Außenadsorber, welcher mindestens eine pneumatische Verbindung über das Sorbens zwischen innerem Gehäuse und dem Aufstellungsraum darstellt. Dieser Weg, den kältemittelhaltiges Gas aus dem Innenraum durch das Sorbens hindurch in die Aufstellungsumgebung nehmen kann, bleibt immer offen.
  • Aus der Schrift DE 10 2019 114 744 A1 ist eine weitere Vorrichtung zur sicheren Durchführung eines linksdrehenden thermodynamischen Kreisprozesses, insbesondere einer Wärmepumpe, mit entzündlichen und oder toxischen Kältemitteln bekannt, bei der ebenfalls das Kältemittel in einem geschlossenen, hermetisch dichten Arbeitsfluidumlauf geführt wird, aufweisend ebenfalls mindestens einen Verdichter für Arbeitsfluid, mindestens eine Entspannungseinrichtung für Arbeitsfluid, mindestens zwei Wärmeübertrager für Arbeitsfluid mit jeweils mindestens zwei senken- bzw. quellenseitigen Anschlüssen für Wärmeüberträgerfluide, ein inneres Gehäuse, welches alle am geschlossenen Arbeitsfluidumlauf angeschlossenen Einrichtungen umfasst und weitere Einrichtungen umfassen kann und mindestens einen Außenadsorber, welcher mindestens eine pneumatische Verbindung über das Sorbens zwischen innerem Gehäuse und dem Aufstellungsraum darstellt, außerdem ist die Vorrichtung so ausgestaltet, dass im Falle des Auftretens eines Überdrucks im inneren Gehäuse dieses angehoben wird und dadurch den Weg durch einen Außenadsorber freigibt, in dem das Kältemittel abgeschieden wird. Im drucklosen Zustand ist dieser Weg durch das Sorbens immer verschlossen.
  • Aufgabe des Außen-Adsorbers ist es, im Leckagefall austretendes gasförmiges Kältemittel aus dem Kältekreis zu entfernen. Dazu ist der Außen-Adsorber mit Adsorptionsmittel gefüllt. Technologie dieser Art wird beispielsweise beschrieben in der DE 10 2011 116 863 A1 , ein Verfahren zur Sicherung einer Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess, welcher 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 wird 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. 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.
  • Für einen linear gestreckten, beidseitig geöffneten Außenadsorber stellt das Sorptionsbett einen Strömungswiderstand dar, welcher im Leckagefall zu einem Druckanstieg innerhalb des Kältekreisgehäuses führt. Während der Leckage reichert sich das freie Volumen des Innengehäuses mit Kältemittel in der Gasphase an. Der Innendruckanstieg im leicht überdruckdichten Kältekreisgehäuse erzeugt eine Ausgleichströmung über den Außen-Adsorber in Richtung des Aufstellungsraumes und das Kältemittel wird durch das Sorbens innerhalb des Außen-Adsorbers aufgenommen. Nach Ausgleich des Druckpotentials zum Aufstellungsraum hin reduziert sich die Strömung vom Kältekreisgehäuse in den Außen-Adsorber hinein bis zum Stillstand.
  • Es stellt sich ein Kältemittelpartialdruck im Innengehäuse in Abhängigkeit des Beladungszustandes des Adsorbens am Eingang des Außen-Adsorbers ein. Aufgrund der hohen Beladung des Adsorbens im Eingangsbereich des Außen-Adsorbers ergibt sich eine hohe, möglicherweise entzündliche Konzentration und somit eine kritische Atmosphäre des freien Volumens innerhalb des Kältekreisgehäuses. Das Gefährdungspotenzial leitet sich wiederum von der Größe des freien Volumens innerhalb des Kältekreisgehäuses ab. Analog gilt dies auch für toxische und sonstige gefährliche ausgetretene Kältemittel. Ein Öffnen des Gehäuses zu Reparaturzwecken ist daher nicht ohne weiteres möglich.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Sorptionsvorrichtung bereitzustellen, bei der die beschriebenen Probleme nicht mehr auftreten.
  • Die Aufgabe wird gelöst mittels mindestens einer Vorrichtung zur Abscheidung von leckagebedingter Kontamination aus der Luft im Gehäuse einer Wärmepumpe, welche in einem Gebäude aufstellbar ist und in der ein geschlossener Kältekreis mit einem gefährlichen Kältemittel betrieben wird, durch sorptive Maßnahmen, wobei mindestens ein äußerer Adsorber vorgesehen ist, welcher mit der Umgebung des Wärmepumpengehäuses und mit dem Inneren des Wärmepumpengehäuses pneumatisch in Verbindung steht, und eine Einströmseite zum Inneren des Wärmepumpengehäuses und eine Ausströmseite zum Gebäudeinneren aufweist, wobei weiterhin mindestens ein innerer Adsorber vorgesehen ist, der mit dem Inneren des Wärmepumpengehäuses pneumatisch in Verbindung steht, aber keine pneumatische Verbindung zur Umgebung des Wärmepumpengehäuses und nur mindestens eine Einströmseite aus dem Inneren des Wärmepumpengehäuses aufweist.
  • Ein solcher zusätzlicher Adsorber mit Verbindung zum Innengehäuse, im Folgenden als Innenadsorber bezeichnet, welcher pneumatisch nicht mit dem Aufstellraum verbunden und daher nicht durchströmt ist, stellt mindestens eine separate sorptive Auffangkapazität für das Kältemittel in der Gasphase dar. Ein solcher Innenadsorber muss nicht notwendig im Inneren des Wärmepumpengehäuses angeordnet werden, er kann auch beispielsweise außerhalb angehängt werden, wobei er nur über eine Öffnung mit dem Innengehäuse verbunden ist. Das hat den Vorteil, dass er nachträglich angeflanscht werden kann und bei Bedarf auch leicht auszuwechseln ist. vorteilhaft ist auch, statt einem einzigen Innenadsorber eine Vielzahl solcher Innenadsorber in den Freiräumen innerhalb des Wärmepumpengehäuses vorzusehen.
  • Aufgrund des Unterbindens einer aktiven Durchströmung ist die Sorptionskinetik dieses Innen-Adsorbers erheblich reduziert im Vergleich zu der des Außenadsorbers, typischerweise beträgt der Faktor zwischen 0,01 und 0,8. Dadurch erhält der Innenadsorber die Eigenschaft, zeitlich verzögert das Kältemittel in der Gasphase im Innenraum zu adsorbieren und die Gaskonzentration in einen unkritischen Bereich zu reduzieren.
  • Bei der Platzierung des Innenadsorbers innerhalb des Wärmepumpengehäuses ist eine Position am tiefsten Punkt des Wärmepumpengehäuses zu vermeiden, so dass bei Ansammlungen von Feuchtigkeit wie Kondensat, also Quellen- bzw. Senkenfluid, die Öffnung des Innenadsorbers nicht mit Fluiden in direkten Kontakt kommen kann, welches in Folge die Sorptionsfunktion beeinträchtigen könnte. Es ist daher vorgesehen, dass jeder Innenadsorber gegen Flüssigkeitseintrag aus dem Inneren des Wärmepumpengehäuses geschützt ist. Die Lage im Raum und die Formgebung der Innenadsorber kann je nach Bauraumverfügbarkeit entsprechend gestaltet werden. Daher ist das das Adsorbens aufnehmende Gehäuse derartig zu gestalten, dass es kein ausgetretenes Fluid, ausgenommen Kältemittel, in der flüssigen Phase aufnimmt. Daher sind Einströmöffnungen im oberen Bereich des Innenadsorbers und im oberen Bereich im Inneren des Wärmepumpengehäuses vorzusehen. Bei der Gestaltung des Innenadsorbers sind die Öffnungen dabei so geschützt zu gestalten, dass eine direkte Strömung auf das Adsorptionsbett durch einen gerichteten Kältemitteljet vermieden wird.
  • Weitere Ausgestaltungen betreffen den Außenadsorber und seine konstruktive Abstimmung mit den Innenadsorbern. Die Geometrie des Außenadsorbers sollte so dimensioniert werden, dass im Leckagefall die Impedanz des Sorptionsbettes für das ausströmende Kältemittel und die verdrängte Luft aus dem Restvolumen des Innengehäuses der Wärmepumpe so niedrig ist, dass der Druckanstieg nicht über 50 kPa liegen sollte, vorzugsweise ist der Druckverlust über das Adsorberbett deutlich niedriger, so dass sich im Innengehäuse kein großer Druck aufbauen kann.
  • Im Allgemeinen sollte der Öffnungsquerschnitt des Außenadsorbers hin zum Innenvolumen des Wärmepumpengehäuses Ain wesentlich größer als der Öffnungsquerschnitt des Außenadsorbers hin zum Aufstellungsraum Aout sein. Dadurch sieht die aufstellraumseitig einströmende, nicht sorptiv aktive Luft eine wesentlich höhere Impedanz.
  • Im Falle des Kältemittels R290 betragen die Einströmfläche bezogen auf die Kältemittelmenge des Kältekreises zwischen 50 cm2/kg R290 und 105 cm2/kg R290 und die Ausströmfläche zwischen 1cm2/kg R290 und 105cm2/kg R290.
  • Hierbei soll das freie Volumen möglichst gering sein, um den Anteil der zu verdrängenden Luft möglichst gering zu halten, damit der Anteil des Strömungswiderstandes, den die zu verdrängende Luft sieht, vernachlässigt werden kann. Die Lauflänge L garantiert dabei zusammen mit dem Querschnittsverlauf und der äußeren Geometrie eine definierte Impedanz des Sorptionsbettes. Auch hier gilt, dass die Auslegung keinen höheren Druckanstieg oberhalb von 50 kPa im Kältekreisgehäuse bei maximaler Leckagerate erzeugen sollte. Für die Lauflänge durch den Außenadsorber gilt hier ein Bereich von 1 cm/kg R290 bis 100 cm/kg R290.
  • Im Folgenden wird die Auslegung der Innenadsorber betrachtet. Die Geometrie der Innen-Absorbers sollte so dimensioniert werden, dass für den Leckagefall die Impedanz des Sorptionsbettes für das ausströmende Kältemittel und die verdrängte Luft aus dem Restvolumen des Wärmepumpengehäuses so hoch ist, und dass die Kinetik des Sorptionsvorganges des Außen-Adsorbers so groß ist, dass eine Beladung des Innenadsorbers nur innerhalb einer geringen Penetrationstiefe des Innen-Adsorbers stattfindet, es ergibt sich ein mittlerer Penetrationsratenbereich, also der Geschwindigkeit einer Durchbruchsfront, für den Innen-Adsorber von: 1 mm/h R290 bis 1000 mm/h R290 bei 50kPa Überdruck und einer gesättigten R290-Atmosphäre im Beispiel von R290 als Kältemittel.
  • Die Geometrie des Innen-Adsorbers sollte entsprechend der Penetrationsrate angepasst sein. Die Penetrationsrate wird maßgeblich bestimmt von den sorptiven Eigenschaften des Adsorbens und der Geometrie des Sorbenspartikels. Im Allgemeinen wird das Sorptionsmittel über geometrische Spezifikationen und chemisch-physikalische Daten beschrieben. Neben der maximalen Beladungskapazität (Isothermen) wird auch eine Angabe zur Beschreibung des Sorptionsmaterials angegeben.
  • Unabhängig vom Herstellungsverfahren, also ob aus Pulver, Granulat oder Extrudat, wird die Korngröße angegeben, die auch Einfluss auf die Festbett- Porosität und somit auf die Strömungseigenschaften des Sorptionsbettes besitzt und somit auf die Impedanz. Der Bereich des hydraulischen Durchmessers, also der Maschenweite, liegt zwischen 0,01 mm und 15 mm. Aufgrund der geringen Penetrationsrate ist auch die Ausbildung des Adsorbens als Festkörper mit einer entsprechenden makroskopisch porösen Struktur oder als strukturierter Formkörper möglich.
  • Weitere Ausgestaltungen betreffen die geometrischen Formen der Innenadsorber und der Außenadsorber gleichermaßen. Die folgenden Gestaltungsmerkmale kommen dabei für die Adsorptionsbetten zur Anwendung.
    • Geometrische Verhältnisse von Eintrittsfläche zur Betttiefe (einseitige, doppelseitige, mehrseitige Öffnung),
    • Schichtung mit unterschiedlichem Sorbens (Material, Korngrößen/ Schüttdichte, Anteil aktives zu inertem Material (Füllstoff)),
    • Querschnittsveränderungen über der Betttiefe,
    • Das Bett kann geknickt und / oder gefaltet werden.
  • Weitere Ausgestaltungen betreffen die Anbringung und Platzierung der Innenadsorber. Jeder Innenadsorber kann räumlich
    • sowohl innerhalb der dichten Wärmepumpengehäusehülle,
    • als auch in der Gehäusehülle integriert,
    • als auch an/in die Wärmepumpengehäusehülle dichtschließend und formschlüssig angebunden,
    • oder in Form einer Rechteck- oder Ringspaltausführung mit entsprechenden Öffnungen zum Innenraum hin oder einer Kombination daraus um das Kältekreisgehäuse herum angeordnet sein.
  • Bei extern angeschlossenen Innenadsorbern kann die Umschließung des Wärmepumpengehäuses in vertikal oder in horizontal geteilter Weise erfolgen, wobei die Form des Wärmepumpengehäuses entsprechend nachgebildet ist. Die Serviceöffnung kann dabei freigelassen sein. Ebenso ist es möglich, externe Innenadsorber kombiniert mit Geräuschdämmung auszubilden, beispielsweise indem Adsorbenspartikel in Dämmstoffe eingearbeitet, etwa durch Ausschäumen mit offenporigen Schaumstoffen fixiert werden.
  • Ein großer Vorteil solcher Innenadsorber ist, dass während einer Ausströmphase zunächst nur eine geringe Menge an Kältemittel adsorbiert wird und dann in der Phase nach Leckageende noch ausreichende Adsorptionskapazität zur Verfügung steht, um den Konzentrationsabbau innerhalb des Wärmepumpengehäuses auf ein unkritisches Minimum zu gewährleisten. Dies wurde auch in zahlreichen Versuchsreihen mit R290 gezeigt.
  • Insofern mehrere Innenadsorber verwendet werden, um beispielsweise die Leerräume zwischen den Installationen auszufüllen, können die geometrischen Verhältnisse, sowie Anbringung und Platzierung unterschiedlich sein. je nach Raumangebot und Notwendigkeit.
  • Die Erfindung wird anhand von Beispielen in den Fig. 1 bis Fig. 7 näher erläutert, es zeigen
    • Fig. 1:
    ein Wärmepumpengehäuse mit einem Außenadsorber und einem Innenadsorber,
    Fig. 2
    ein Wärmepumpengehäuse mit einem Außenadsorber und drei Innenadsorbern,
    Fig. 3
    drei Ausführungen verschiedener Innenadsorber,
    Fig. 4
    ein Wärmepumpengehäuse mit einem Außenadsorber und einem weiteren Innenadsorber mit mehreren Öffnungen,
    Fig. 5
    ein Wärmepumpengehäuse mit einem Außenadsorber und einem Innenadsorber, der in die Gehäusewand integriert ist,
    Fig. 6
    ein Wärmepumpengehäuse mit einem Außenadsorber und einem Innenadsorber, der außen an das Wärmepumpengehäuse angeflanscht ist,
    Fig. 7
    drei Varianten von Innenadsorbern, die das Wärmepumpengehäuse teilweise umschließen.
  • Fig. 1 zeigt ein Wärmepumpengehäuse 1 mit einem Außenadsorber 10 und einem Innenadsorber 13. Hierbei wird ein üblicher linksdrehender Kältekreislauf 4 mit einem Verdichter 3, einem Expansionsventil 5, einem Verdampfer 6 und einem Kondensator 7 verwendet, wobei diese Ausstattungen vielfältig erweiterbar sind, etwa durch eine Umschaltmöglichkeit für Kühlzwecke und einen weiteren Kreislauf für die Warmwasserbereitung. Der Kältekreislauf weist ferner Wärmesenkenanschlüsse 8 und Wärmequellenanschlüsse 9 auf.
  • Der Außenadsorber 10 entspricht dabei herkömmlichem Stand der Technik und kann gestreckt, geknickt, gefaltet, geteilt sowie mit unterschiedlichen Schichten von Adsorptionsmitteln ausgestattet werden, ferner kann der Querschnitt über die Betttiefe veränderlich gestaltet sein, also gestuft oder linear oder unstetig entweder ansteigend oder verengend ausgeführt werden. Seine konkrete Auslegung erfolgt aber immer in Verbindung mit der Auslegung des Innenadsorbers 13 und aus den Eigenschaften von Kältemittel und Adsorptionsmittel.
  • Der Außenadsorber 10 weist mindestens einen Einströmbereich 11 auf, der ins Innere des Wärmepumpengehäuses gerichtet ist, und einen Austrittsbereich 12 auf, der mit der Umgebung, also in der Regel mit dem Aufstellungsraum in Verbindung steht, wobei es sich um eine pneumatische Verbindung handelt. Alternativ kann auch eine Verbindung zur Umwelt außerhalb des Gebäudes bestehen oder eine Umschaltbarkeit zwischen dem Gebäudeinneren und der Außenwelt.
  • Während des Abscheidevorgangs im Leckagefall ist die einströmende Menge des Kältemittel-Luft-Gemischs größer als die ausströmende Menge, die um die Kältemittelgasbestandteile abgereichert ist. Dementsprechend können nicht nur der Verlauf der Strömungsquerschnitte des Außenadsorbers 10, sondern auch die Öffnungsquerschnitte 11 und 12 den zu erwartenden Gasmengen entsprechend in ihrer voraussichtlichen Größe angepasst werden, die Dimensionierung hängt dabei vom Leerraumvolumen und vom Kältemittelinventar der Wärmepumpe ab.
  • Der Innenadsorber 13 ist innerhalb des Wärmepumpengehäuses 1 vorgesehen, wobei seine Öffnung im oberen Bereich liegt. Eine Versottung aufgrund von Flüssigkeitsansammlungen, etwa von Kondenswasser, wird auf diese Weise sicher ausgeschlossen.
  • Fig. 2 zeigt ein Wärmepumpengehäuse 1 mit einem Außenadsorber 10 und drei Innenadsorbern 131, 132 und 133. Diese drei Innenadsorber 131, 132 und 133 füllen dabei Leerräume im Wärmepumpengehäuse 1 zwischen den einzelnen Einrichtungen. Sie können auch von ummantelten Schaumstoffen gebildet werden, welche mit Adsorptionsmittel imprägniert sind. Die übrigen Einrichtungen entsprechen denen der Fig. 1.
  • Fig. 3 zeigt drei Ausführungen verschiedener Innenadsorber 131, 132 und 133, wie sie in Fig. 2 verwendet werden, wobei sie zusätzlich mit Kältemitteljet-Schutzeinrichtungenversehen sind. Das sind vorliegend die Spritzschutzbleche 134, die über den Öffnungen fixiert sind.
  • Fig. 4 zeigt ein Wärmepumpengehäuse 1 mit einem Außenadsorber 10 und einem weiteren Innenadsorber135 mit mehreren Öffnungen, der auch geteilt ausgeführt sein kann.
  • Fig. 5 zeigt ein Wärmepumpengehäuse 1 mit einem Außenadsorber 10 und einem Innenadsorber 136, der in die Gehäusewand integriert ist. Die Öffnung des Innenadsorbers 136 ist in den Innenraum gerichtet, durch geeignete Materialwahl trägt der Innenadsorber 136 zur Gehäusestabilität bei.
  • Fig. 6 zeigt ein Wärmepumpengehäuse 1 mit einem Außenadsorber 10 und einem externen Innenadsorber 137, der außen an das Wärmepumpengehäuse 1 angeflanscht ist, wobei anstelle der Öffnungen ein Kanal 15 vorgesehen ist, durch den das Kältemittel-Luft-Gemisch ggf. in den externen Innenadsorber 137 gelangen kann. Der Kanal 15 kann mit einem Absperrorgan versehen werden, womit eine einfache Austauschmöglichkeit anlässlich Routine-Wartungsarbeiten erfolgen kann.
  • Fig. 7 zeigt drei Varianten von Innenadsorbern 138, 16 und 139, die das Wärmepumpengehäuse 1 teilweise umschließen. Obwohl sie außen am Wärmepumpengehäuse 1 angeordnet sind, sind sie Innenadsorber, weil ihre Öffnungen 17 direkt in das Innere des Wärmepumpengehäuses 1 zeigen und es keine pneumatische Verbindung nach außen gibt. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, wenn das Wärmepumpengehäuse 1 an seiner Außenseite von Modulstreben gebildet wird, die ebenfalls in dichtender Weise zur Aufnahme der umschließenden Innenadsorber genutzt werden könnten. Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Innenadsorber nur einen Teil des Wärmepumpengehäuses 1 umschließen und der übrige, nicht umschlossene Anteil von der Serviceöffnung und vom Außenadsorber abgedeckt wird.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Wärmepumpengehäuse / Wärmepumpengehäusehülle
    2
    Kältekreis
    3
    Verdichter
    4
    Kältekreisleitung
    5
    Expansionsventil
    6
    Verdampfer
    7
    Kondensator
    8
    Wärmesenkenanschlüsse
    9
    Wärmequellenanschlüsse
    10
    Außenadsorber
    11
    Einströmbereich Außenadsorber
    12
    Austrittsbereich Außenadsorber
    13
    Innenadsorber
    131
    Vertikaler Innenadsorber
    132
    Formteil-Innenadsorber
    133
    Ecken-Innenadsorber
    134
    Spritzschutzbleche
    135
    Innenadsorber mit mehreren Öffnungen
    136
    In die Wärmepumpenwand integrierter Innenadsorber
    137
    Externer Innenadsorber
    138
    Rechteckiger externer Innenadsorber
    139
    Runder externer Innenadsorber
    14
    Einströmbereich Innenadsorber
    15
    Kanal
    16
    Kreisrunder externer Innenadsorber

Claims (9)

  1. Vorrichtung zur Abscheidung von leckagebedingter Kontamination aus der Luft im Gehäuse einer Wärmepumpe, welche in einem Gebäude aufstellbar ist und in der ein geschlossener Kältekreis (2) mit einem gefährlichen Kältemittel innerhalb der dichten Hülle des Wärmepumpengehäuses (1) betrieben wird, durch sorptive Maßnahmen, wobei die Vorrichtung das
    Wärmepumpengehäuse (1) aufweist, und wobei mindestens ein Außenadsorber (10) vorgesehen ist, welcher mit der Umgebung des Wärmepumpengehäuses (1) und mit dem Inneren des Wärmepumpengehäuses (1) pneumatisch in Verbindung steht, und eine Einströmseite zum Inneren des Wärmepumpengehäuses (1) und eine Ausströmseite zum Gebäudeinneren aufweist, wobei
    weiterhin mindestens ein Innenadsorber (13) vorgesehen ist, der mit dem Inneren des Wärmepumpengehäuses (1) pneumatisch in Verbindung steht, aber keine pneumatische Verbindung zur Umgebung des Wärmepumpengehäuses (1) und nur mindestens eine Einströmseite aus dem Inneren des Wärmepumpengehäuses aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    jeder Innenadsorber (13) gegen Flüssigkeitseintrag aus dem Inneren des Wärmepumpengehäuses (1) geschützt ist, und Einströmöffnungen jedes Innenadsorbers (13) im oberen Bereich im Inneren des Wärmepumpengehäuses (1) angeordnet sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Innen-adsorber (13) innerhalb des dichten Wärmepumpengehäuses (1) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Innenadsorber in die Wandung des dichten Wärmepumpengehäuses (1) integriert ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Innenadsorber (13) an/in die Hülle des Wärmepumpengehäuses (1) dichtschließend und formschlüssig angebunden ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Innen-adsorber (13) in Form einer Rechteck- oder Ringspaltausführung mit entsprechenden Öffnungen zum Innenraum hin oder einer Kombination daraus um das Wärmepumpengehäuse (1) herum angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sorptionsbett im Außenadsorber (10) so dimensioniert wird, dass es einen Innendruck im Wärmepumpengehäuse (1) von mehr als 50 kPa beim Ausströmen von Luft nicht zulässt.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Luftaustrittsfläche zu Gaseintrittsfläche des Außenadsorbers (10) kleiner als 1 ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Luftaustrittsfläche zu Gaseintrittsfläche des Außenadsorbers (10) kleiner als 0,1 ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Luftaustrittsfläche zu Gaseintrittsfläche des Außenadsorbers (10) kleiner als 0,01 ist.
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