EP3486564B1 - VORRICHTUNG ZUR SICHEREN DURCHFÜHRUNG EINES LINKSDREHENDEN THERMODYNAMISCHEN CLAUSIUS-RANKINE PROZESS
BASIEREND AUF ARBEITSFLUIDADSORPTION MIT INERTGASVERDRÄNGUNG - Google Patents

VORRICHTUNG ZUR SICHEREN DURCHFÜHRUNG EINES LINKSDREHENDEN THERMODYNAMISCHEN CLAUSIUS-RANKINE PROZESS
BASIEREND AUF ARBEITSFLUIDADSORPTION MIT INERTGASVERDRÄNGUNG Download PDF

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EP3486564B1
EP3486564B1 EP18198588.8A EP18198588A EP3486564B1 EP 3486564 B1 EP3486564 B1 EP 3486564B1 EP 18198588 A EP18198588 A EP 18198588A EP 3486564 B1 EP3486564 B1 EP 3486564B1
Authority
EP
European Patent Office
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working fluid
adsorbent
dimensionally stable
inert gas
moulded bodies
Prior art date
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Active
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EP18198588.8A
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English (en)
French (fr)
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EP3486564A1 (de
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Tobias Lingk
Hans-Josef Spahn
Frank Salg
Thomas Badenhop
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Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B49/00—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F25B49/005—Arrangement or mounting of control or safety devices of safety devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2500/00—Problems to be solved
    • F25B2500/22—Preventing, detecting or repairing leaks of refrigeration fluids

Definitions

  • the invention relates to irregular conditions in refrigeration circuits in which a working fluid acting as a refrigerant is conducted in a thermodynamic cycle, such as the Clausius-Rankine cycle.
  • a working fluid acting as a refrigerant is conducted in a thermodynamic cycle, such as the Clausius-Rankine cycle.
  • thermodynamic cycle such as the Clausius-Rankine cycle.
  • Residential buildings are understood to mean private houses, apartment building complexes, hospitals, hotel facilities, restaurants, combined residential and commercial buildings and commercial establishments in which people live or work permanently, in contrast to mobile devices such as automotive air conditioning systems or transport boxes, or industrial plants or medical technology devices. What these cycle processes have in common is that they generate useful heat or cold using energy and form heat transfer systems.
  • the invention relates to a device for safely carrying out a left-turning thermodynamic Clausius-Rankine cycle using an inflammable working fluid.
  • thermodynamic cycle processes used have long been known, as are the safety problems that can arise when using suitable working fluids. Apart from water, the best known working fluids at that time were flammable and toxic. In the past century, they led to the development of safety refrigerants, which consisted of fluorinated hydrocarbons. However, it was shown that these safety refrigerants damage the ozone layer, lead to global warming and that their safety-related safety led to constructive inattentiveness. Up to 70% of sales was attributable to the need to refill leaky systems and their leakage losses, which was accepted as long as this was perceived as economically justifiable in individual cases and promoted the need for replacement.
  • the problems that arise with the safety design of such systems are discussed in the WO 2015/032905 A1 described vividly.
  • the lower ignition limit of propane as working fluid is approximately 1.7 percent by volume in air, which corresponds to 38 g / m 3 in air. If the cooling process is carried out in a surrounding, hermetically sealed, but otherwise air-filled room with the working fluid propane, there is the problem of recognizing a critical, explosive situation after a fault in which the working fluid escapes into this hermetically sealed room. Electrical sensors for the detection of critical concentrations are difficult to carry out explosion-proof, which is why the propane detection by the sensors themselves considerably increases the risk of explosion, with the exception of infrared sensors. Propane is also toxic; when inhaled above a concentration of approx. 2 g / m 3 , there are narcotic effects, headaches and nausea. This affects people who are supposed to solve a recognized problem on site before there is a risk of explosion.
  • Propane is also heavier than air, so it sinks to the ground in calm air and accumulates there. If a part of the propane is collected in a low-flow zone of the enclosed space in which the faulty unit is located, the local explosion limits can be reached much faster than the quotient of the total volume of space to the amount of propane escaped.
  • the WO 2015/032905 A1 seeks to solve this problem by integrating an electric current generator into the opening or locking of this space and, when actuated, in a first step generates and provides the electrical energy with which the sensor is activated, and which in the event of an alarm Locking then does not release, but causes ventilation of the closed room and only allows unlocking and opening in a second step.
  • the DE-PS 553 295 describes an encapsulated compression refrigeration machine in which the refrigerant compressor 1, its drive motor 2, evaporator 3, condenser 4 and control valve 5 are enclosed in a double-walled capsule 6 and 7, respectively. A vacuum is created in the space between the double-walled capsule and any leaks that could occur at the openings for cooling water and brine are extracted. The extracted working fluid can then be recovered if necessary. It should be noted that there is no ambient air inside the encapsulated room and, due to the negative pressure in the double jacket, it cannot penetrate into the encapsulated interior.
  • the DE 10 2011 116 863 A1 describes a method for securing a device for a thermodynamic cycle, which is operated with a process fluid that contains or consists of at least one environmentally hazardous, toxic and / or flammable substance.
  • a process fluid that contains or consists 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.
  • zeolite also in combination with imidazole or phosphates, CuBTC are also proposed.
  • the adsorbent can be in the form of a bed, a shaped body, a paint, one Spray film or a coating.
  • the support structure of the molded body can consist of microstructure, lamella structure, tube bundle, tube register and sheet metal and must be mechanically stable and greatly increase the surface area. Circulation of the potentially contaminated air usually takes place continuously, but can also be initiated by a sensor that switches on the ventilation after a threshold value has been reached or in the event of a recognized accident.
  • the adsorption can be carried out inside or outside a closed room.
  • the DE 10 2011 116 863 A1 a device according to the preamble of claim 1.
  • the DE 195 26 980 A1 describes a device and a method for cleaning air in closed rooms which have a gaseous contamination. After the contamination has been detected by a gas sensor, the latter controls a compressor which directs the air through an absorber located in this room, as a result of which the contamination is absorbed. The cleaned air leaves the absorber in the closed room.
  • the DE 195 25 064 C1 describes a refrigeration machine with a gas-tight housing, which accommodates all refrigerant-carrying components of the machine, a space is provided that connects the interior of the gas-tight housing with an outlet, and the space is filled with a substance that sorbs the refrigerant.
  • the amount of sorbent material is dimensioned so that the entire amount of any refrigerant escaping can be absorbed and kept away from the environment.
  • the space filled with the sorbent material is open to the surroundings. With refrigerants that are heavier than air, the space is open at the bottom, with those that are lighter, it is open at the top, so that a delivery fan is not required.
  • the sorbent is introduced into the housing and completely surrounds the refrigeration machine or the refrigerant-carrying devices. On its way out, baffles are provided that prevent short circuit currents and force escaping gas through the sorbent.
  • a measuring device for refrigerants can be provided at the exit of the space filled with the sorbent to the surroundings.
  • the EP 3 106 780 A1 describes a heat pump system which is housed in an airtight housing lined with a binder.
  • An adsorption unit with forced ventilation which cleans the air in the housing in recirculation mode, can be arranged within this housing.
  • This air recirculation mode can be carried out continuously or only in the event of a fault or at regular intervals.
  • a pilot burner, a pilot flame, a catalytic burner or a heating wire can also be arranged downstream of this sorption stage, which burns any remaining combustible impurities.
  • a fresh air supply in connection with the discharge of cleaned exhaust air is also conceivable.
  • the object of the invention is therefore to provide an improved lining device which better solves the problems presented and no longer has the disadvantages.
  • Heat transfer fluids are to be understood here as all gaseous or liquid media with which heat is transferred, for example air, water, brine, heat transfer oils or the like.
  • the advantage here is that in the event of a leak with release of the working fluid, the inert gas is displaced from the adsorbent with simultaneous adsorption of the working fluid.
  • the displaced inert gas makes the interior of the container inert, thereby reducing the risk of explosion.
  • the desorption of the displaced inert gas has the effect that the adsorptive heating of the adsorbent during the adsorption is significantly less, since it is no longer the total heat of adsorption that is released, but only the difference between the heat of adsorption of the working fluid and the heat of desorption of the inert gas. This also prevents working fluid that has already been adsorbed from being expelled again due to the development of heat.
  • propane is used as the working fluid, activated carbon as the adsorbent and carbon dioxide as the inert gas.
  • the activated carbon can be doped in a known manner in such a way that optimum loading by propane takes place, but chemisorption is to be avoided here, since the desorption of carbon dioxide then fails to occur.
  • such a lining is preferably carried out by dimensionally stable mats or moldings which contain the adsorbent and which can be removed and removed in a simple manner after opening the housing. They are typically permeable to gas and liquid on the side facing the inside of the container through a holding grid, while the dimensional stability is ensured by a stable rear structure.
  • these mats or molded articles have a flat surface on the side facing the interior of the housing and have pull-down film-like blinds on their top, which are pulled over the surface like a bag in the event of disassembly and then used for the Keep disassembly and removal closed.
  • this device is also used for assembly in order to prevent the inert gas from diffusing out of the lining prematurely.
  • the mats or molded bodies are fixed in a known manner by hooks or click closures.
  • Fig. 1 shows a schematic diagram of a refrigeration circuit 1 with a compressor 2, a condenser 3, a pressure reduction 4 and an evaporator 5 in a closed housing 6.
  • the housing 6 has a heat source connection 7, a heat source flow 8, a heat sink flow 9 and a heat sink connection 10.
  • the cooling circuit 1 is operated in this example with the flammable working fluid propane, which is also known under the name R290. Propane is heavier than air, so if there is a leak in refrigeration circuit 1, it tends to sink downwards in housing 6. Due to temperature differences in the housing and corresponding convection, leakage-related propane can also be found in the interior of the housing. This housing 6 is therefore completely lined with the adsorptive lining 11.
  • Fig. 2 shows an adsorptive molded body of which several may or should be present in the housing, these molded bodies also being able to completely enclose the interior of the housing, especially on the underside, since propane escaping due to leakage sinks into the air. Such moldings also help to reduce noise emissions.
  • the exemplary adsorptive molded body 12 has an activated carbon mat 13 in its interior, which consists either of activated carbon fibers or of activated carbon pellets, which are fixed in a permeable matrix. Honeycomb bodies are also possible. On the back there is a supporting structure with click closures 14 with which the adsorptive molded body 12 is fixed on the inside of the housing 6. A permeable holding grille 15 is located on the opposite side.
  • the adsorptive molded body has a blind device 16, which consists of rollers on which films can be pulled up and rolled up on the front and back at the same time before use and pulled down after use and closed at the bottom.
  • the foils on the front and back can be used also form a bag which has a pull closure and seals the adsorptive molded body gas-tight before and after use.

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Description

  • Die Erfindung betrifft irreguläre Zustände in Kältekreisen, in denen ein als Kältemittel wirkendes Arbeitsfluid in einem thermodynamischen Kreisprozess, wie zum Beispiel dem Clausius-Rankine-Kreisprozess, geführt wird. Vorwiegend sind dies Wärmepumpen, Klimaanlagen und Kühlgeräte, wie sie in Wohngebäuden gebräuchlich sind. Unter Wohngebäuden werden dabei Privathäuser, Miethauskomplexe, Krankenhäuser, Hotelanlagen, Gastronomie, kombinierte Wohn- und Geschäftshäuser und Gewerbebetriebe verstanden, in denen Menschen dauerhaft leben oder 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 Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur sicheren Durchführung eines linksdrehenden thermodynamischen Clausius-Rankine-Kreisprozesses mittels eines entzündlichen Arbeitsfluids.
  • Die zum Einsatz kommenden thermodynamischen Kreisprozesse sind seit langem bekannt, ebenso die Sicherheitsprobleme, die bei der Verwendung geeigneter Arbeitsfluide entstehen können. Abgesehen von Wasser sind die bekanntesten damaligen Arbeitsfluide brennbar und giftig. Sie führten im vergangenen Jahrhundert zur Entwicklung der Sicherheitskältemittel, die aus fluorierten Kohlenwasserstoffen bestanden. Es zeigte sich jedoch, dass diese Sicherheitskältemittel die Ozonschicht schädigen, zur Klimaerwärmung führen, und dass ihre sicherheitstechnische Unbedenklichkeit zu konstruktiven Unachtsamkeiten führte. Bis zu 70 % des Umsatzes entfiel auf den Nachfüllbedarf undichter Anlagen und deren Leckageverluste, der hingenommen wurde, solange dies im Einzelfall als wirtschaftlich vertretbar empfunden wurde und Bedarf an Ersatzbeschaffung förderte.
  • Der Einsatz dieser Kältemittel wurde aus diesem Grund Restriktionen unterworfen, in der Europäischen Union beispielsweise durch die F-Gas-Verordnung (EU) 517/2014.
  • Es ist daher einerseits äußerst problematisch, die konstruktiven Prinzipien für Kältemittel-führende thermodynamische Prozesse zu übernehmen, die sich bei Sicherheitskältemitteln scheinbar gut bewährt haben, andererseits auf die Anlagenkonzepte aus der Zeit vor Einführung der Sicherheitskältemittel aufzusetzen. Dies liegt auch daran, dass inzwischen aus Einzelgeräten komplexe Anlagen geworden sind, was die Anzahl der Möglichkeiten für Störungen und deren Folgen vervielfältigt hat. Hierdurch ergeben sich beispielhaft die folgenden Anforderungen an das Sicherheitskonzept:
    • Im Normalbetrieb muss die Anlage absolut dicht sein.
    • Weder bei einer Leckage im Kondensator noch bei einer Leckage im Verflüssiger darf Arbeitsfluid in den gekoppelten Nutzwärme- oder Nutzkältekreislauf gelangen.
    • Es darf kein Arbeitsfluid aus dem Kältekreislauf unbemerkt entweichen können.
    • Im Verdichter darf das Arbeitsfluid nicht durch die Lagerung entweichen.
    • Im Entspannungssystem darf das Arbeitsfluid nicht durch den Ventilsitz diffundieren oder durch Kavitation zu Leckagen führen.
    • Gekapselte Teile müssen für Wartungs- und Kontrollzwecke zugänglich bleiben.
    • In Notfällen dürfen sich keine Gefahren einstellen.
    • Die Anlage soll in vorhandene Räumlichkeiten integrierbar sein
    • Das Kältemittel soll abgelassen und eingefüllt werden können.
  • Der Begriff des Notfalls muss weit gesehen werden. Denkbar sind Stromausfälle, Erdbeben, Erdrutsche, Überschwemmungen, Brände, technische Fehler und klimatische Extrembedingungen. Sofern die Anlagen in einem Netzwerk betrieben werden, ist auch ein Netzausfall oder eine Netzstörung als Notfall anzusehen. Gegenüber solchen Gefahren oder Störungen soll die Vorrichtung inhärent sicher sein. Aber auch ein Ausfall der verfügbaren Primärenergie kann einen Notfall begründen und darf keine Gefahrentwicklung zur Folge haben. Alle diese Notfälle können auch kombiniert auftreten.
  • Hierbei sind die verschiedenen Bauformen und Anwendungsfälle für derartige thermodynamische Kreisprozesse gesondert zu berücksichtigen, bei ortsfesten Anlagen für Wohngebäude beispielsweise folgende:
    • Haushaltskühlschränke,
    • Haushaltsgefrierschränke,
    • Haushaltstrockner,
    • Haushaltskühl-Gefrierkombinationen,
    • Kühlkammern für Hotel- und Gastronomie,
    • Gefrierkammern für Hotel- und Gastronomie,
    • Klimaanlage für Haus, Hotel- und Gastronomie,
    • Warmwassererzeugung für Haus, Hotel- und Gastronomie,
    • Beheizung für Haus, Hotel- und Gastronomie,
    • Sauna-Schwimmbadanlagen für Haus, Hotel- und Gastronomie,
    • Kombinierte Anlagen für die oben genannten Anwendungen,
    wobei diese Aufzählung nicht vollständig ist.
  • Die Energie für den Betrieb der Anlagen einschließlich der zu verschiebenden Wärmeenergie kann aus verschiedenen Quellen stammen:
    • Erdwärme aus Erdwärmespeichern,
    • Geothermische Wärme,
    • Fernwärme,
    • Elektrische Energie aus allgemeiner Stromversorgung,
    • Elektrische Solarenergie,
    • Solarwärme,
    • Abwärme,
    • Warmwasserspeicher,
    • Eisspeicher,
    • Latentwärmespeicher,
    • Fossile Energieträger wie Erdgas, Erdöl, Kohle,
    • Nachwachsende Rohstoffe wie Holz, Pellets, Biogas,
    • Kombinationen aus den oben genannten Energiequellen,
    wobei auch diese Aufzählung nicht vollständig ist.
  • Die auftretenden Probleme bei der Sicherheitsauslegung solcher Anlagen werden in der WO 2015/032905 A1 anschaulich beschrieben. So liegt die untere Zündgrenze von Propan als Arbeitsfluid etwa bei 1,7 Volumenprozent in Luft, was 38 g/m3 in Luft entspricht. Sofern der Kälteprozess in einem ihn umgebenden, hermetisch abgeschlossenen, ansonsten aber luftgefüllten Raum mit dem Arbeitsfluid Propan durchgeführt wird, stellt sich das Problem der Erkennung einer kritischen, explosiven Situation nach einer Störung, bei der das Arbeitsfluid in diesen hermetisch abgeschlossenen Raum austritt. Elektrische Sensoren zur Erkennung kritischer Konzentrationen sind nur schwierig explosionsgeschützt auszuführen, weswegen gerade die Propan-Erkennung durch die Sensoren selbst das Explosionsrisiko erheblich verschärft, ausgenommen hiervon sind Infrarotsensoren. Propan ist auch giftig, bei Inhalation oberhalb einer Konzentration von ca. 2 g/m3 stellen sich narkotische Effekte, Kopfschmerzen und Übelkeit ein. Dies betrifft Personen, die ein erkanntes Problem vor Ort lösen sollen, noch bevor Explosionsgefahr entsteht.
  • Propan ist auch schwerer als Luft, sinkt also in ruhender Luft auf den Boden und sammelt sich dort an. Sollte sich also ein Teil des Propans in einer strömungsarmen Zone des abgeschlossenen Raums, in dem sich das gestörte Aggregat befindet, sammeln, können die lokalen Explosionsgrenzen wesentlich schneller erreicht werden, als es der Quotient aus Gesamtraumvolumen zu ausgetretener Propanmenge erwarten lässt. Die WO 2015/032905 A1 sucht dieses Problem zu lösen, indem ein Generator für elektrischen Strom in die Öffnung bzw. deren Verriegelung dieses Raums integriert wird und bei deren Betätigung in einem ersten Schritt die elektrische Energie erzeugt und bereitstellt, mit der der Sensor aktiviert wird, und der im Alarmfall die Verriegelung dann nicht freigibt, sondern eine Lüftung des abgeschlossenen Raums veranlasst, und erst in einem zweiten Schritt eine Entriegelung und Öffnung zulässt.
  • Schon zu Beginn der Technologie der Kompressionskältemaschinen wurde der Versuch unternommen, einen abgeschlossenen Raum zu bilden, in dem die apparativen Ausrüstungen alle sicher untergebracht werden konnten und der diese vollständig umhüllt. Die DE-PS 553 295 beschreibt eine gekapselte Kompressionskältemaschine, bei der der Kältemittelverdichter 1, sein Antriebsmotor 2, Verdampfer 3, Verflüssiger 4 und Regelventil 5 in einer doppelwandigen Kapsel 6 bzw. 7 eingeschlossen sind. Im Zwischenraum der doppelwandigen Kapsel wird ein Unterdruck angelegt und Leckagen, die an den Durchbrüchen für Kühlwasser und Sole auftreten könnten, abgesaugt. Das abgesaugte Arbeitsfluid kann im Anschluss daran ggf. zurückgewonnen werden. Zu bemerken ist dabei, dass sich innerhalb des gekapselten Raums keine Umgebungsluft befindet und aufgrund des Unterdrucks im Doppelmantel auch nicht in den gekapselten Innenraum eindringen kann.
  • Die DE 10 2011 116 863 A1 beschreibt ein Verfahren zur Sicherung einer Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess, welche mit einem Prozessfluid betrieben wird, das mindesten eine umweltgefährliche, giftige und/oder entzündliche Substanz enthält oder daraus besteht. Im Falle einer Leckage in der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess ein Adsorptionsmittel mit dem Prozessfluid, insbesondere Ammoniak, Propan oder Propen, in Kontakt gebracht und die Substanz durch das Adsorptionsmittel selektiv gebunden. Das Adsorptionsmittel wird nach Gebrauch regeneriert. Als Adsorptionsmittel werden Zeolith, auch in Kombination mit Imidazol oder Phosphaten, ferner CuBTC vorgeschlagen, das Adsorptionsmittel kann in Form einer Schüttung, eines Formkörpers, eines Anstrichs, eines Sprühfilms oder einer Beschichtung ausgestattet sein. Die Trägerstruktur des Formkörpers kann aus Mikrostruktur, Lamellenstruktur, Rohrbündel, Rohrregister und Blech bestehen und muss mechanisch stabil sowie stark oberflächenvergrößernd sein. Eine Umwälzung der potenziell kontaminierten Luft erfolgt üblicherweise kontinuierlich, kann aber auch durch einen Sensor initiiert werden, der die Lüftung nach Erreichen eines Schwellenwerts oder bei einem erkannten Havariefall einschaltet. Die Adsorption kann innerhalb oder außerhalb eines geschlossenen Raums durchgeführt werden. Außerdem offenbart die DE 10 2011 116 863 A1 eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Die DE 195 26 980 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reinigung von Luft geschlossener Räume, die eine gasförmige Verunreinigung aufweisen. Nachdem die Verunreinigung von einem Gassensor erkannt wurde, steuert dieser einen Verdichter an, der die Luft durch einen in diesem Raum befindlichen Absorber leitet, wodurch die Verunreinigung absorbiert wird. Die gereinigte Luft verlässt den Absorber in den geschlossenen Raum.
  • Die DE 195 25 064 C1 beschreibt eine Kältemaschine mit einem gasdicht ausgebildeten Gehäuse, welches alle kältemittelführenden Komponenten der Maschine aufnimmt, ein das Innere des gasdichten Gehäuses mit einem Auslass verbindender Raum vorgesehen ist, und der Raum mit einem das Kältemittel sorbierenden Stoff gefüllt ist. Die Menge des sorbierenden Stoffes wird dabei so dimensioniert, dass die gesamte Menge an eventuell austretendem Kältemittel aufgenommen und von der Umwelt ferngehalten werden kann. Der mit dem sorbierenden Stoff gefüllte Raum ist zur Umgebung hin offen. Bei Kältemitteln, die schwerer als Luft sind, ist der Raum nach unten hin offen, bei solchen, die leichter sind, ist er nach oben hin offen, so dass ein Fördergebläse nicht erforderlich ist. Das Sorptionsmittel wird in das Gehäuse eingebracht und umschließt die Kältemaschine bzw. die kältemittelführenden Einrichtungen vollständig. Auf seinem Weg nach außen sind Schikanen vorgesehen, die Kurzschlussströmungen verhindern und entweichendes Gas durch das Sorptionsmittel zwingen. Auch eine doppelwandige Ausführungsform, bei der das Sorptionsmittel im Doppelmantel angeordnet ist, ist möglich. Am Ausgang des mit dem sorbierenden Stoffes gefüllten Raumes zur Umgebung hin kann eine Messeinrichtung für Kältemittel vorgesehen werden.
  • Die EP 3 106 780 A1 beschreibt eine Wärmepumpenanlage, die in einem mit einem Bindemittel ausgekleideten, luftdichten Gehäuse untergebracht ist. Innerhalb dieses Gehäuses kann eine Adsorptionseinheit mit einer Zwangslüftung angeordnet sein, die im Umluftbetrieb die Luft im Gehäuse reinigt. Dieser Umluftbetrieb kann kontinuierlich oder nur im Störfall oder in regelmäßigen Intervallen erfolgen. Stromab dieser Sorptionsstufe kann auch ein Zündbrenner, eine Pilotflamme, ein katalytischer Brenner oder ein Heizdraht angeordnet sein, der ggf. restliche brennbare Verunreinigungen verbrennt. Ebenfalls denkbar ist eine Frischluftzufuhr in Verbindung mit der Ableitung gereinigter Abluft.
  • Die vorgestellten Systeme hatten am Markt bislang nur wenig Erfolg. Dies kann auf die folgenden Gründe zurückgeführt werden:
    • Montagefreundlichkeit: Im Falle von Modernisierungen von alten Heizungsanlagen müssen die neu zu installierenden Vorrichtungen zerlegbar und transportabel sein. Beispielsweise müssen sie über Kellertreppen und in verwinkelte und niedrige Kellerräume verbracht werden können. Zusammenbau, Inbetriebnahme und Wartung müssen ohne großen Aufwand vor Ort möglich sein. Dies schließt große und schwere Druckbehälter weitgehend aus, ferner Systeme, die nach einer Havarie nicht mehr demontierbar sind.
    • Diagnosefreundlichkeit: Die Betriebszustände sollten von außen gut erkennbar sein, dies betrifft die Sichtbarkeit und Prüfbarkeit bezüglich möglicher Leckagen und schließt den Füllstand des Arbeitsfluids sowie den Befüllungsgrad ggf. eingebrachter Sorbentien ein.
    • Wartungsfreundlichkeit: Systemdiagnosen sollten ohne großen zusätzlichen Aufwand erfolgen können. Sicherheitsrelevante Systeme sollten regelmäßig getestet bzw. auf ihre Zuverlässigkeit geprüft werden können. Sofern Systemdiagnosen nicht einfach durchführbar sind, sollten möglicherweise belastete Teile leicht durch Neuteile austauschbar sein.
    • Ausfallsicherheit: Die System sollen einerseits gegen Störungen gesichert sein, gleichzeitig aber zuverlässig laufen können, wenigstens im Notbetrieb. Im Falle einer vorübergehenden externen Störung sollten die Systeme entweder selbstständig wieder anfahren oder ohne großen Aufwand wiederangefahren werden können.
    • Energieeffizienz: Die Anlagen sollen energetisch günstig betrieben werden können, ein hoher Eigenverbrauch an Energie für Sicherheitsmaßnahmen wirkt dem entgegen.
    • Robustheit: Im Falle größerer Störungen, seien sie extern oder systemintern aufgeprägt, muss die Beherrschbarkeit gewährleistet sein, dies betrifft z.B. Lüftungssysteme, die verstopfen können oder Druckbehälter, die unter Druck stehen oder heiß werden, etwa bei einem Brand.
    • Kosten: Die Sicherheitsmaßnahmen sollen weder bei den Anschaffungskosten noch bei den laufenden Kosten bedeutend sein und die Einsparungen bei den Energiekosten gegenüber herkömmlichen Systemen übersteigen. Sie sollen günstig sein.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist daher, eine verbesserte Auskleidevorrichtung bereitzustellen, welche die dargestellten Probleme besser löst und die Nachteile nicht mehr aufweist.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Die Vorrichtung ist zur sicheren Durchführung eines linksdrehenden thermodynamischen Clausius-Rankine-Kreisprozesses mittels eines entzündlichen Arbeitsfluids, welches im gasförmigen Zustand unter Atmosphärenbedingungen schwerer als Luft ist und in einem geschlossenen, hermetisch dichten Arbeitsfluidumlauf geführt wird, aufweisend
    • mindestens einen Verdichter für Arbeitsfluid,
    • mindestens eine Entspannungseinrichtung für Arbeitsfluid,
    • mindestens zwei Wärmeübertrager für Arbeitsfluid mit jeweils mindestens zwei Anschlüssen für Wärmeüberträgerfluide,
    • ein geschlossenes Gehäuse, welches alle am geschlossenen Arbeitsfluidumlauf angeschlossenen Einrichtungen umfasst, weitere Einrichtungen umfassen kann, und mit einem Adsorbens ausgekleidet ist, welches in der Lage ist, Arbeitsfluid zu adsorbieren,
    • wobei ein Adsorbens eingesetzt wird, welches das Arbeitsfluid und ein Inertgas adsorbieren kann,
    • wobei das Arbeitsfluid eine höhere adsorptive Bindung an das Adsorbens als das Inertgas aufweist,
    • und wobei das Adsorbens, mit dem das Gehäuse ausgekleidet wird, mit dem Inertgas gesättigt vorbeladen ist.
  • Als Wärmeübertragerfluide sind hier alle gasförmigen oder flüssigen Medien zu verstehen, mit denen Wärme übertragen wird, also etwa Luft, Wasser, Sole, Wärmeträgeröle oder dergleichen.
  • Der Vorteil ist dabei, dass im Falle einer Leckage mit Freisetzung des Arbeitsfluids eine Verdrängung des Inertgases aus dem Adsorbens unter gleichzeitiger Adsorption des Arbeitsfluid stattfindet. Das verdrängte Inertgas inertisiert dabei das Behälterinnere und reduziert damit gleichzeitig die Explosionsgefahr. Außerdem bewirkt die Desorption des verdrängten Inertgases, dass die adsorptive Aufheizung des Adsorbens bei der Adsorption deutlich geringer ausfällt, da nicht mehr die gesamte Adsorptionswärme frei wird, sondern nur noch die Differenz zwischen der Adsorptionswärme des Arbeitsfluids und der Desorptionswärme des Inertgases. Dadurch wird auch verhindert, dass bereits adsorbiertes Arbeitsfluid durch Wärmeentwicklung wieder ausgetrieben wird.
  • In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird als Arbeitsfluid Propan verwendet, als Adsorbens Aktivkohle und als Inertgas Kohlendioxid. Die Aktivkohle kann dabei in bekannter Weise derart dotiert werden, dass eine optimale Beladung durch Propan erfolgt, allerdings ist eine Chemisorption hierbei zu vermeiden, da dann die gleichzeitig Desorption von Kohlendioxid ausbleibt.
  • Apparativ wird eine solche Auskleidung vorzugsweise durch formstabile Matten oder Formkörper vorgenommen, die das Adsorbens enthalten und die auf einfache Weise nach Öffnen des Gehäuses abgenommen und entfernt werden können. Sie sind typischerweise auf der zum Behälterinneren zugewandten Seite durch ein Haltegitter durchlässig für Gas und Flüssigkeit, während die Formstabilität durch eine stabile Rückseitenstruktur gewährleistet wird.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, dass diese Matten oder Formkörper auf der dem Gehäuseinneren zugewandten Seite eine ebene Oberfläche aufweisen und an ihrer Oberseite herunterziehbare folienartige Jalousien besitzen, die im Falle einer Demontage wie eine Tüte über die Oberfläche gezogen werden und diese danach für die Demontage und den Abtransport geschlossen halten. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird diese Vorrichtung auch für die Montage verwendet, um zu verhindern, dass das Inertgas vorzeitig aus der Auskleidung fortdiffundiert.
  • Auf der Rückseite werden die Matten oder Formkörper in bekannter Weise durch Haken oder Klickverschlüsse fixiert.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Prinzipskizzen näher erläutert. Hierbei zeigen:
    • Fig. 1 einen Kältekreis mit einer Auskleidung,
    • Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für einen adsorptiven Formkörper mit einer Jalousievorrichtung.
  • Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze eines Kältekreises 1 mit einem Verdichter 2, einem Kondensator 3, einer Druckreduzierung 4 und einem Verdampfer 5 in einem geschlossenen Gehäuse 6. Das Gehäuse 6 verfügt über einen Wärmequellen-Anschluss 7, einen Wärmequellen-Vorlauf 8, einen Wärmesenken-Vorlauf 9 und einen Wärmesenken-Anschluss 10. Der Kältekreis 1 wird in diesem Beispiel mit dem entzündlichen Arbeitsfluid Propan, welches auch unter der Bezeichnung R290 bekannt ist, betrieben. Propan ist schwerer als Luft, daher sinkt es im Falle einer Leckage im Kältekreis 1 tendenziell im Gehäuse 6 nach unten. Aufgrund von Temperaturunterschieden im Gehäuse und entsprechender Konvektion findet sich leckagebedingtes Propan aber auch im übrigen Gehäuseinneren. Dieses Gehäuse 6 ist daher vollständig mit der adsorptiven Auskleidung 11 ausgekleidet.
  • Fig. 2 zeigt einen adsorptiven Formkörper von dessen Art im Gehäuse mehrere vorhanden sein können oder sollen, wobei diese Formkörper das Gehäuseinnere auch vollständig umschließen können, vor allem auf der Unterseite, da leckagebedingt austretendes Propan in Luft absinkt. Solche Formkörper tragen nebenbei auch zur Reduzierung von Schallemissionen bei.
  • Der beispielgebende adsorptive Formkörper 12 besitzt in seinem Inneren eine Aktivkohlematte 13, die entweder aus Aktivkohlefasern oder aus Aktivkohlepellets, die in einer durchlässigen Matrix fixiert sind, besteht. Auch Wabenkörper sind möglich. Auf der Rückseite befindet sich eine tragende Struktur mit Klickverschlüssen 14, mit denen der adsorptive Formkörper 12 an der Innenseite des Gehäuses 6 fixiert wird. Auf der gegenüberliegenden Seite befindet sich ein durchlässiges Haltegitter 15.
  • Zur Montage und Demontage weist der adsorptive Formkörper eine Jalousievorrichtung 16 auf, die aus Rollen besteht, auf denen gleichzeitig auf Vorderseite und Rückseite Folien vor Gebrauch heraufgezogen und aufgerollt und nach Gebrauch heruntergezogen und unten verschlossen werden können. Die Folien auf Vorderseite und Rückseite können dabei auch eine Tüte bilden, die einen Zugverschluss aufweist und vor und nach Nutzung den adsorptiven Formkörper gasdicht verschließt.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kältekreis
    2
    Verdichter
    3
    Kondensator
    4
    Druckreduzierung
    5
    Verdampfer
    6
    Gehäuse
    7
    Wärmequellen-Anschluss
    8
    Wärmequellen-Vorlauf
    9
    Wärmesenken-Vorlauf
    10
    Wärmesenken-Anschluss
    11
    Adsorptive Auskleidung
    12
    adsorptiver Formkörper
    13
    Aktivkohlematte
    14
    Rückseite mit Klickverschluss
    15
    Haltegitter
    16
    Jalousievorrichtung
    17
    Folie

Claims (5)

  1. Vorrichtung zur sicheren Durchführung eines linksdrehenden thermodynamischen Clausius-Rankine-Kreisprozesses (1) mittels eines entzündlichen Arbeitsfluids, mit einem Arbeitsfluid welches im gasförmigen Zustand unter Atmosphärenbedingungen schwerer als Luft ist, und mit einem geschlossenen, hermetisch dichten Arbeitsfluidumlauf, welcher
    - 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,
    aufweist, und mit
    - einem geschlossenen Gehäuse (6),
    - welches alle am geschlossenen Arbeitsfluidumlauf angeschlossenen Einrichtungen umfasst,
    - weitere Einrichtungen umfassen kann,
    - und mit einem Adsorbens (11) ausgekleidet ist, welches in der Lage ist, Arbeitsfluid zu adsorbieren,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - das eingesetzte Adsorbens ein Inertgas adsorbieren kann, und das Adsorbens mit dem Inertgas gesättigt vorbeladen ist,
    - wobei das Arbeitsfluid eine höhere adsorptive Bindung an das Adsorbens als das Inertgas aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbens Aktivkohle, das Arbeitsfluid Propan und das Inertgas Kohlendioxid ist.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidung (11) durch Adsorbens mittels formstabiler Matten oder Formkörper (12) vorgenommen wird.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die formstabilen Matten oder Formkörper (12) ein für Gas und Flüssigkeit durchlässiges Haltegitter (15) und eine formstabile Rückseitenstruktur (14) mit einer Befestigungsvorrichtung aufweisen.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die formstabilen Matten oder Formkörper (12) eine Jalousievorrichtung (16) aufweisen, mit der mindestens eine Folie (17) gasdicht über die formstabilen Matten oder Formkörper gezogen werden kann.
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