GASLECKAGEBEWÄLTIGUNG

Abstract

 Vorrichtung für einen Kältekreis (1), welcher mit einem brennbaren oder gefährlichen Kältemittel (2) betrieben wird, ferner aufweisend mindestens einen Verdichter, mindestens eine Entspannungsvorrichtung, mindestens zwei Wärmeübertrager, wobei mindestens einer der mindestens zwei Wärmeübertrager (3) mit Leitungen an einen Kreislauf mit einem Wärmeträgermedium (5, 14) angeschlossen ist, und eine regelbare Umwälzpumpe (11) Verbraucher (13) von Nutzwärme oder Nutzkälte mittels Leitungen mit dem Wärmeträgermedium (12) versorgt, in der Leitung des Wärmeträgermediums (8) zwischen der regelbaren Umwälzpumpe (11) und dem mindestens einen angeschlossenen Wärmeübertrager (3) vorgesehen sind ein Gasabscheider (6) mit einem Gasablassventil (7), mindestens ein Gasansammlungs-Detektor (9), und ein Regler (10), der mit dem Gasansammlungs-Detektor (9) und der Um-wälzpumpe (11) verbunden ist. Das Verfahren besteht darin, dass die Umwälzpumpe (11) soweit abgeregelt wird, bis kein Gas mehr im Wärmeträgermedium verbleibt und alles im Gasabscheider (6) abgeschieden werden kann.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft die Bewältigung des Übertritts von entzündlichen oder schädlichen gasförmigen Kohlenwasserstoffen, die auch teil- oder per-halogeniert sein können, aus einem Wärmepumpensystem in einen Heizkreislauf oder Kühlsolekreislauf, im Folgenden als Wärmeträgerkreislauf bezeichnet.

[0002] 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 befindet und auch für Klimaanlagen. Je nachdem, welche Zwecke ein solcher Wärmeträgerfluidkreislauf erfüllen oder welche Umgebungsbedingungen er zu bewältigen hat, können neben dem eigentlichen Wärmeträger, meistens Wasser, auch Additive dem Wärmeträgerfluidkreislauf hinzugesetzt werden. Hierbei handelt es sich meist um Frostschutzmittel oder Korrosionsschutzmittel.

[0003] 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 oder deren Freisetzung wenigstens weniger schädlich ist. Eine solche versehentliche Freisetzung ist aufgrund deren Brennbarkeit und sonstigen Schadwirkung aber möglichst zu vermeiden. In Kältekreisen, in denen solche Arbeitsfluide eingesetzt werden, können solche unbeabsichtigten Freisetzungen über die Wärmeübertrager passieren, die als Kondensatoren und Verdampfer zum Einsatz kommen und die mit dem Wärmeträgermedium, 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 das unter geringerem Druck stehenden Wärmeträgermedium gelangen.

[0004] Um dies so weit wie möglich zu verhindern, werden im herkömmlichen Stand der Technik 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.

[0005] Die Konstruktion solcher doppelwandigen Wärmeübertrager, die einen Spezialfall der Zwischenraum-Wärmeübertrager darstellen, ist auch deshalb aufwändig, weil der Luftspalt, der den Zwischenraum bildet, möglichst klein sein soll. Wenn sich auf beiden Seiten der Wärme übertragenden Fluide aber unterschiedliche Drücke einstellen, was bei Wärmepumpen üblich ist, neigen die dünnen Bleche dazu, sich zu verbiegen und auszubeulen. Auch während des Betriebs besteht die Tendenz, sich zu verziehen, wenn sich die Temperaturdifferenzen ändern und die Bleche sich thermisch ausdehnen oder zusammenziehen. Diesem Dehnen und Biegen muss durch Stege und Stützen im Luftspalt begegnet werden, was im Material zusätzliche Spannungen hervorruft und nach häufigen Lastwechseln Materialversagen provoziert.

[0006] Diese doppelwandigen Wärmeübertrager mit Luftspalt können das Risiko also zwar verringern, aber ausschließen können sie es nicht.

[0007] In der JP 2021 055 866 A wird ein Wärmeübertragersystem beschrieben, in dem ein Wasserkreislauf mit einem Kältekreislauf verbunden ist und in dem eine Leckage zu einem Übertritt des Kältemittels in den Wasserkreislauf führen könnte. Hierbei wird das Kältemittel in einer Außenbox erwärmt und ins Innere des Gebäudes geführt, wo die Wärme in einem Wärmeübertrager an das Heizkreiswasser abgegeben wird. Oberhalb des Wärmeübertragers ist ein Kältemittelsensor vorgesehen, der sich auch in einem Sicherheitsventil befinden kann. Wenn der Wärmeübertrager mit dem Wasser auf der Wasserseite einfrieren sollte, könnte er beschädigt werden und Kältemittel könnte in den Wasserkreislauf gelangen, allerdings wäre die Strömung des Wasserkreislaufs dadurch stark verzögert und das leichtere Kältemittel würde sich oberhalb des Wärmeübertragers von alleine ansammeln und könnte dort detektiert und abgeschieden werden.

[0008] Einer Abregelung des Wasserkreislaufs bedarf es somit nicht, sie wird in der JP 2021 055 866 A auch nicht vorgesehen. Es ist aber klar, dass der Eintrag durch kleine Leckagen im Wärmeübertrager auf diese Weise weder erkannt noch bewältigt werden kann, sondern nur größere Störungen in teilweise frostbedingt zerstörten Wärmeübertragern so behandelt werden können. Derartige Frostschäden sind aber selten, wenn sich der Wärmeübertrager innerhalb des Gebäudes befindet. Sofern das Kältemittel brennbar ist, etwa im Falle von R32, R290, R1270, R441 oder R600a, entsteht so innerhalb des Wasserkreislaufs im Gebäude ein unzumutbares Sicherheitsrisiko.

[0009] welches Die Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Vorrichtung und eine Verfahren bereitzustellen, mit dem ein solcher leckagebedingter Übertritt von Kältemittel ohne Schaden bewältigt werden kann.

[0010] Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung für einen Kältekreis, welcher mit einem brennbaren oder gefährlichen Kältemittel betrieben wird, ferner aufweisend

• mindestens einen Verdichter,
• mindestens eine Entspannungsvorrichtung,
• mindestens zwei Wärmeübertrager,
• wobei mindestens einer der mindestens zwei Wärmeübertrager mit Leitungen an einen Kreislauf mit einem Wärmeträgermedium angeschlossen ist,
• und eine regelbare Umwälzpumpe Verbraucher von Nutzwärme oder Nutzkälte mittels Leitungen mit dem Wärmeträgermedium versorgt, wobei
• in der Leitung des Wärmeträgermediums zwischen der regelbaren Umwälzpumpe und dem mindestens einen angeschlossenen Wärmeübertrager vorgesehen sind
• ein Gasabscheider mit einem Gasablassventil,
• mindestens ein Gasansammlungs-Detektor,
• und ein Regler, der mit dem Gasansammlungs-Detektor und der Umwälzpumpe verbunden ist.

[0011] Ausgestaltungen betreffen den Ort oder die Orte, an dem der Gasansammlungs-Detektor oder die Gasansammlungs-Detektoren im Leitungssystem des Wärmeträgermediums vorgesehen sind. In einer ersten Ausgestaltung ist ein Gasansammlungs-Detektor in der Leitung nach dem Wärmeübertrager vor dem Gasabscheider vorgesehen. In einer zweiten Ausgestaltung ist ein Gasansammlungs-Detektor in der Leitung nach dem Gasabscheider vor der Umwälzpumpe vorgesehen. In einer dritten Ausgestaltung ist ein Gasansammlungs-Detektor in dem Gasabscheider vorgesehen. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind mehrere Gasansammlungs-Detektoren in den Leitungen oder dem Gasabscheider nach dem Wärmeübertrager vor der Umwälzpumpe vorgesehen.

[0012] Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Gasansammlungs-Detektoren nach unterschiedlichen Messprinzipien messen. Dies können bekannte Ultraschallsensoren und bekannte Schwimmerkörper verschiedener Bauarten sein.

[0013] Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren gelöst, indem zur Regelung einer Umwälzpumpe in einem Kreislauf eines Wärmeträgermediums entsprechend Vorrichtungen wie oben beschrieben, nämlich aufweisend mindestens einen Verdichter, mindestens eine Entspannungsvorrichtung, mindestens zwei Wärmeübertrager, wobei mindestens einer der mindestens zwei Wärmeübertrager mit Leitungen an einen Kreislauf mit einem Wärmeträgermedium angeschlossen ist, und eine regelbare Umwälzpumpe Verbraucher von Nutzwärme oder Nutzkälte mittels Leitungen mit dem Wärmeträgermedium versorgt, und in der Leitung des Wärmeträgermediums zwischen der regelbaren Umwälzpumpe und dem mindestens einen angeschlossenen Wärmeübertrager vorgesehen sind ein Gasabscheider mit einem Gasablassventil, mindestens ein Gasansammlungs-Detektor, und ein Regler, der mit dem Gasansammlungs-Detektor und der Umwälzpumpe verbunden ist, dazu eingesetzt werden, mittels eines Gasansammlungs-Detektors oder mehrerer Gasansammlungs-Detektoren zu messen, ob sich Gas im Wärmeträgermedium befindet, und, falls dies der Fall ist, ein Regler aus diesem Messsignal ein Regelungssignal an die regelbare Umwälzpumpe gibt, und damit die Fördermenge solange verringert wird, bis kein Gas mehr nach dem Gasabscheider detektiert wird.

[0014] Sofern nur ein Gasansammlungs-Detektor vor dem Gasabscheider eingesetzt wird, kann durch einen Vergleich des Messwerts und der Analyse des abgeschiedenen Gases des Abscheiders auf die Menge des Gases geschlossen werden. Ansonsten kann aus der gemessenen Differenz der einzelner Gasansammlungs-Detektoren auf die Funktion des Gasabscheiders geschlossen werden.

[0015] Ferner ist es möglich, die Umwälzpumpe auch in Anwesenheit geringer detektierter Gasmengen weiterlaufen zu lassen, um Gasansammlungen an ungünstigen Orten des Systems des Wärmeträgermediums zu vermeiden und Gasansammlungen stattdessen gezielt an einem anderen Ort abzuführen.

[0016] Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Fig. 1 bis Fig. 3 näher erläutert. Hierbei zeigen

Fig. 1

eine Verfahrensskizze einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2

eine Verfahrensskizze einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 3

eine Verfahrensskizze einer dritten Ausführungsform.,

[0017] Fig. 1 zeigt die Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform. Aus dem Kältekreis 1 wird das dampfförmige Arbeitsfluid 2 in den Kondensator 3 gegeben, wo es seine Wärme beim Kondensieren abgibt. Das Kondensat 4 wird wieder in den Kältekreis 1 zurückgeführt. Im Kondensator 3 wird das Wärmeträgermedium 5, welches üblicherweise aus Wasser besteht, aufgeheizt. Bei natürlichen Kältemitteln stehen diese Kältemittel beim Eintritt in den Kondensator 3 unter höherem Druck als das Wärmeträgermedium 5 und es besteht die latente Gefahr, dass bei Leckagen im Kondensator 3 gasförmiges Kältemittel in das Wärmeträgermedium eintreten kann. Daher wird das Wärmeträgermedium 5 nach der Wärmeübertragung zunächst in den Gasabscheider 6 geführt, wo eventuell vorhandenes Gas abgeschieden und als Abgas im Entlüftungsventil 7 abgeführt wird.

[0018] Es könnte aber sein, dass nicht alles Gas im Gasabscheider 6 abgeschieden worden ist und ein Teil von diesem möglicherweise nicht vollständig abgeschiedenen Gas könnte Kältemittel sein. Dieses wird im warmen Wärmeträgermedium 8 mitgerissen und im Gasansammlungs-Detektor 9 geprüft. Das kann beispielsweise ein Schwimmer sein.

[0019] Falls der Gasansammlungs-Detektor 9 meldet, dass sich Gasblasen in der Strömung des Wärmeträgermediums 8 befinden, deutet das auf eine Überlastung des Gasabscheiders 6 hin und der Durchsatz des Wärmeträgermediums muss gedrosselt werden. Der mit dem Gasansammlungs-Detektor verbundene Regler 10 regelt in diesem Fall die Umwälzpumpe 11 des Wärmeträgermediums solange ab, bis kein Gas mehr detektiert werden kann.

[0020] Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass sichergestellt werden kann, dass kein Gas mehr in den Kreislauf des Wärmeträgermediums eingetragen wird und die Umwälzpumpe 11 nicht durch Kavitation vorzeitig verschleißt. Die Umwälzpumpe 11 fördert das warme Wärmeträgermedium 12 zu den Verbrauchern 13 und als Rücklauf 14 wieder zurück zum Kondensator 3.

[0021] Fig. 2 zeigt die Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform. Aus dem Kältekreis 1 wird das dampfförmige Arbeitsfluid 2 in den Kondensator 3 gegeben, wo es seine Wärme beim Kondensieren abgibt. Das Kondensat 4 wird wieder in den Kältekreis 1 zurückgeführt. Im Kondensator 3 wird das Wärmeträgermedium 5, welches üblicherweise aus Wasser besteht, aufgeheizt. Bei natürlichen Kältemitteln stehen diese beim Eintritt in den Kondensator 3 unter höherem Druck als das Wärmeträgermedium 5 und es besteht die latente Gefahr, dass bei Leckagen im Kondensator 3 gasförmiges Kältemittel in das Wärmeträgermedium eintreten kann. Im Unterschied zur Vorrichtung in Fig. 1 wird die Erkennung nicht abgeschiedenen Gases durch den Gasansammlungs-Detektor 9 bereits im Gasabscheider 6 vorgenommen. Dies findet vorzugsweise an der Leitung zum Entlüftungsventil 7 statt. Die übrigen Schritte entsprechen denen in Fig. 1.

[0022] Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass sichergestellt werden kann, dass kein Gas mehr in den Kreislauf des Wärmeträgermediums eingetragen wird und die Umwälzpumpe 11 nicht durch Kavitation vorzeitig verschleißt.

[0023] Fig. 3 zeigt die Vorrichtung in einer dritten Ausführungsform. Aus dem Kältekreis 1 wird das dampfförmige Arbeitsfluid 2 in den Kondensator 3 gegeben, wo es seine Wärme beim Kondensieren abgibt. Das Kondensat 4 wird wieder in den Kältekreis 1 zurückgeführt. Im Kondensator 3 wird das Wärmeträgermedium 5, welches üblicherweise aus Wasser besteht, aufgeheizt. Im Unterschied zur Vorrichtung in Fig. 1 wird die Erkennung nicht abgeschiedenen Gases durch den Gasansammlungs-Detektor 9 bereits vor Eintritt in den Gasabscheider 6 vorgenommen. Die übrigen Schritte entsprechen denen in Fig. 1.

[0024] Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass bereits auf Kältemittel reagiert werden kann, bevor dieses den Abscheider erreicht.

[0025] Die dargestellten Ausführungsvarianten können auch additiv verwendet werden. Ferner sind dieselben Anordnungen auch in dem Fall anwendbar, dass die Anlage im Kühlbetrieb läuft, d.h. der Kondensatorwärmeübertrager als Verdampferwärmeübertrager wirkt.

[0026] Die Ausführungsvarianten können sowohl in reinen Inneneinheiten als auch in reinen Außeneinheiten also auch in Splitgeräten in der gleichen Weise zum Einsatz kommen.

Liste der Bezugszeichen

[0027] 

1

Kältekreis

2

Arbeitsfluid/ Kältemittel

3

Kondensator

4

Kondensat

5

Wärmeträgermedium

6

Gasabscheider

7

Entlüftungsventil

8

Wärmeträgermedium

9

Gasansammlungs-Detektor

10

Regler

11

Umwälzpumpe

12

Wärmeträgermedium

13

Verbraucher

14

Rücklauf

Ansprüche

1. Vorrichtung für einen Kältekreis (1), welcher mit einem brennbaren oder gefährlichen Kältemittel (2) betrieben wird, ferner aufweisend

- mindestens einen Verdichter,

- mindestens eine Entspannungsvorrichtung,

- mindestens zwei Wärmeübertrager,

- wobei mindestens einer der mindestens zwei Wärmeübertrager (3) mit Leitungen an einen Kreislauf mit einem Wärmeträgermedium (5, 14) angeschlossen ist,

- und eine regelbare Umwälzpumpe (11) Verbraucher (13) von Nutzwärme oder Nutzkälte mittels Leitungen mit dem Wärmeträgermedium (12) versorgt,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Leitung des Wärmeträgermediums (8) zwischen der regelbaren Umwälzpumpe (11) und dem mindestens einen angeschlossenen Wärmeübertrager (3) vorgesehen sind

- ein Gasabscheider (6) mit einem Gasablassventil (7),

- mindestens ein Gasansammlungs-Detektor (9),

- und ein Regler (10), der mit dem Gasansammlungs-Detektor (9) und der Umwälzpumpe (11) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasansammlungs-Detektor (9) in der Leitung nach dem Wärmeübertrager (3) vor dem Gasabscheider (6) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasansammlungs-Detektor (9) in der Leitung nach dem Gasabscheider (6) vor der Umwälzpumpe (11) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasansammlungs-Detektor (9) in dem Gasabscheider (6) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Gasansammlungs-Detektoren (9) in den Leitungen oder dem Gasabscheider (6) nach dem Wärmeübertrager (3) vor der Umwälzpumpe (11) vorgesehen sind.

6. Verfahren zur Regelung einer Umwälzpumpe (11) in einem Kreislauf eines Wärmeträgermediums entsprechend Vorrichtungen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Gasansammlungs-Detektors (9) oder mehrerer Gasansammlungs-Detektoren (9) gemessen wird, ob sich Gas im Wärmeträgermedium (5, 8) befindet, und, falls dies der Fall ist, ein Regler (10) aus diesem Messsignal ein Regelungssignal an die regelbare Umwälzpumpe (11) gibt, und damit die Fördermenge solange verringert wird, bis kein Gas mehr nach dem Gasabscheider (6) detektiert wird.

Zeichnung