[0001] Die Erfindung betrifft irreguläre Zustände in Kältekreisen, in denen ein als Kältemittel
wirkendes Arbeitsfluid in einem thermodynamischen Kreisprozess, wie zum Beispiel dem
Clausius-Rankine-Kreisprozess, geführt wird, sowie deren adsorptive Sicherheitseinrichtung.
Vorwiegend sind dies Wärmepumpen, Klimaanlagen und Kühlgeräte, wie sie in Wohngebäuden
gebräuchlich sind. Unter Wohngebäuden werden dabei Privathäuser, Miethauskomplexe,
Krankenhäuser, Hotelanlagen, Gastronomie und kombinierte Wohn- und Geschäftshäuser
verstanden, in denen Menschen dauerhaft leben und arbeiten, im Unterschied zu mobilen
Vorrichtungen wie KFZ-Klimaanlagen oder Transportboxen, oder auch Industrieanlagen
oder medizintechnischen Geräten. Gemeinsam ist diesen Kreisprozessen, dass sie unter
Einsatz von Energie Nutzwärme oder Nutzkälte erzeugen und Wärmeverschiebungssysteme
bilden.
[0002] Die zum Einsatz kommenden thermodynamischen Kreisprozesse sind seit langem bekannt,
ebenso die Sicherheitsprobleme, die bei der Verwendung geeigneter Arbeitsfluide entstehen
können. Abgesehen von Wasser sind die bekanntesten damaligen Arbeitsfluide brennbar
und giftig. Sie führten im vergangenen Jahrhundert zur Entwicklung der Sicherheitskältemittel,
die aus fluorierten Kohlenwasserstoffen bestanden. Es zeigte sich jedoch, dass diese
Sicherheitskältemittel zur Klimaerwärmung führen und dass ihre sicherheitstechnische
Unbedenklichkeit zu konstruktiven Unachtsamkeiten führte. Bis zu 70 % des Umsatzes
entfiel auf den Nachfüllbedarf undichter Anlagen und deren Leckageverluste, der hingenommen
wurde, solange dies im Einzelfall als wirtschaftlich vertretbar empfunden wurde und
Bedarf an Ersatzbeschaffung förderte.
[0003] Heutige Kältekreise sind ausgestattet mit diesen Sicherheitskältemitteln der Sicherheitsklasse
A1, d.h. sie sind nicht giftig und nicht brennbar. Die gebräuchlichsten Kältemittel
im Bereich der Wärmepumpenanwendungen sind die Kältemittel R134a, R407C bzw. R410A,
allesamt Fluorkohlenwasserstoffverbindungen. Der Einsatz dieser Kältemittel war bis
Januar 2015 keinerlei Restriktionen unterworfen, die Einführung der F-Gase- Verordnung
(EU) 517/2014 zum 01. Januar 2015 schränkt zukünftig die Anwendung von Fluorkohlenwasserstoff-
Kältemitteln über Mengenbegrenzungen in der Europäischen Union derartig ein, dass
die Preise bisheriger Kältemittel deutlich ansteigen werden. Ziel der F-Gase-Verordnung
ist die mittelfristige Verbannung der treibhausgasfördernden Kältemittel und den Ersatz
durch natürliche Kältemittel bzw. gegen chemische Kältemittel mit erheblich reduziertem
Treibhauspotenzial.
[0004] Nachteilig ist jedoch, dass nahezu alle Kältemittelalternativen zur Gruppe der brennbaren
Kältemittel gehören, insbesondere die technisch vielversprechendsten Kältemittel wie
z.B. R290 (Propan) und R1270 (Propylen).
[0005] 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.
[0006] Die
DE 10 2011 116 863 A1 beschreibt ein Verfahren zur Sicherung einer Vorrichtung für einen thermodynamischen
Kreisprozess, welche mit einem Prozessfluid betrieben wird, das mindesten eine umweltgefährliche,
giftige und/oder entzündliche Substanz enthält oder daraus besteht. Im Falle einer
Leckage in der Vorrichtung für einen thermodynamischen Kreisprozess ein Adsorptionsmittel
mit dem Prozessfluid, insbesondere Ammoniak, Propan oder Propen, in Kontakt gebracht
und die Substanz durch das Adsorptionsmittel selektiv gebunden. Das Adsorptionsmittel
wird nach Gebrauch regeneriert. Als Adsorptionsmittel werden Zeolith, auch in Kombination
mit Imidazol oder Phosphaten, ferner CuBTC vorgeschlagen, das Adsorptionsmittel kann
in Form einer Schüttung, eines Formkörpers, eines Anstrichs, eines Sprühfilms oder
einer Beschichtung ausgestattet sein. Die Trägerstruktur des Formkörpers kann aus
Mikrostruktur, Lamellenstruktur, Rohrbündel, Rohrregister und Blech bestehen und muss
mechanisch stabil sowie stark oberflächenvergrößernd sein. Eine Umwälzung der potenziell
kontaminierten Luft erfolgt üblicherweise kontinuierlich, kann aber auch durch einen
Sensor initiiert werden, der die Lüftung nach Erreichen eines Schwellenwerts oder
bei einem erkannten Havariefall einschaltet. Die Adsorption kann innerhalb oder außerhalb
eines geschlossenen Raumes durchgeführt werden.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] Die
JP 2000 105003 A beschreibt ein Kälteaggregat, welches mit einem entzündlichen Arbeitsfluid betrieben
wird, wobei das Aggregat aus zwei Teilen bestehen kann, von denen das eine im Innenraum
eines Gebäudes und das andere außen im Freien aufgestellt ist. Um zu verhindern, dass
im Falle einer Leckage Arbeitsfluid entweichen kann, werden die Innenwände des Innengehäuses
mit Adsorbensmaterial ausgekleidet und die Leitungen des außen aufgestellten Teils
mit einer Beschichtung aus Adsorbensmaterial beschichtet. Als Adsorbens wird unter
anderem Aktivkohle vorgeschlagen.
DE 41 14 529 A1 zeigt eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
[0010] Problematisch ist beim Einsatz von Aktivkohle als Adsorbens, dass Aktivkohle mit
der Zeit an der Luft altert, weil langsame Oxidationsvorgänge stattfinden. Aufgrund
der Anforderungen eines Sicherheitskonzeptes an die Verfügbarkeit über die Lebensdauer
von Geräten, in denen linksdrehende Kreisprozesse betrieben werden, wie zum Beispiel
Wärmepumpen, muss eine Degradation des Adsorptionsmittels aber unbedingt vermieden
werden, vor allem wenn sie unbemerkt geschehen könnte.
[0011] Je nach Bauart, Aufstellungsort und Betriebsweise beispielsweise einer Wärmepumpe
ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an eine mögliche Belastung des Adsorptionsmittels
durch Co-Adsorbenzien, also etwa VOC, Wasserdampf aus Luftfeuchte, Luftsauerstoff,
Temperaturwechseln, und anderen. Zu unterscheiden ist dabei zwischen Auskleidungen
und durchströmten Sorptionsbetten. Bei den durchströmten Sorptionsbetten ist zu unterscheiden
zwischen solchen, die innerhalb eines Gehäuses im Umluftbetrieb sind und solchen,
die nach außen hin entlüften. Die Erfindung betrifft hierbei erstere, wobei jedoch
auch Kombinationen mit den davor erwähnten umluftbetriebenen Sorptionsbetten und Auskleidungen
einsetzbar sind.
[0012] Es wird im Folgenden zwar angenommen, dass sich das Sorptionsbett in einem Kanal
mit einer Einströmseite und einer Ausströmseite innerhalb des Gehäuses befindet, in
dem auch der linksdrehende Kreisprozess durchgeführt wird. Statt eines langgestreckten,
linearen Sorptionskanals können aber auch andere Bauformen von Sorptionskanälen zur
Anwendung kommen und die Aggregate des durchgeführten Kreisprozesses können auch in
einem separaten Kapselgehäuse angeordnet sein, welches sich innerhalb des gemeinsamen
Gehäuses mit dem Sorptionskanal befindet, und sind ebenfalls von der Erfindung umfasst,
ebenso solche, bei denen der Sorptionsvorgang außerhalb des Gehäuses stattfindet..
[0013] Die Belastung solcher in Bezug auf das Gehäuse nach innen und nach außen offenen
Sorptionsbetten durch Kontamination wird durch Diffusion und Konvektion von Kontaminaten,
im Falle der Adsorption vom konterminierenden Adsorptiv verursacht. Die Kontaminaten
können dabei reversible oder auch irreversible Degradationen der Sorptionskapazität
des Sorptionsbettes gegenüber dem austretenden Arbeitsfluid verursachen. Die Diffusionsströmung
wird dabei einzig durch das Konzentrationsgefälle angetrieben, während konvektive
Einträge durch wetterinduzierte Luftdruck- oder auch Temperaturgradienten zwischen
Gehäuse und Umgebung verursacht werden. Die resultierenden Druckunterschiede führen
zu Ausgleichsströmungen in das Gehäuse und damit auch durch das Sorptionsbett und
zum Stofftransport von Kontaminaten in das Sorptionsbett.
[0014] Aus dem Gehäuse, in dem der Kreisprozess durchgeführt wird, kommen als Kontaminaten
Sauerstoff, ein- und mehrwertige Alkohole, Feuchte, Ziehfette, Schneidöle, Schäummittel
und RCM-Öle in Betracht. Im Falle von Aktivkohle als Adsorbensmaterial ist die Alterung
bzw. Degradation von der Temperatur und der insgesamt durchströmten Gasmenge bestimmt.
[0015] Die Aufgabe der Erfindung ist daher, eine sichere Vorrichtung zur Verfügung zu stellen,
die die beschriebenen Nachteile nicht mehr aufweist und deren Degradation des Aktivkohleadsorbers
minimal wird. Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Anspruch
1 zur sicheren Durchführung eines linksdrehenden thermodynamischen Kreisprozesses
mittels eines entzündlichen Arbeitsfluids, welches in einem geschlossenen, hermetisch
dichten Arbeitsfluidumlauf geführt wird, aufweisend
- mindestens einen Verdichter für Arbeitsfluid,
- mindestens eine Entspannungseinrichtung für Arbeitsfluid,
- mindestens zwei Wärmeübertrager für Arbeitsfluid mit jeweils mindestens zwei Anschlüssen
für Wärmeüberträgerfluide,
- ein Gehäuse, welches wenigstens den Verdichter und die Entspannungseinrichtung für
Arbeitsfluid umfasst und weitere Einrichtungen umfassen kann,
- mindestens einen Sorptionskanal mit einem Aktivkohle enthaltenden Adsorber, der von
Gas durchströmt werden kann
- und der Sorptionskanal mit dem Adsorber sowie seinem Gaseinlass verbunden ist, wobei
- der Sorptionskanal gegenüber dem Inneren des Gehäuses durch eine thermische Dämmung
begrenzt wird,
- der Sorptionskanal am Gaseinlass verschließbar ist, und
- im Sorptionskanal mindestens eine Kühlleitung verlegt ist, die an ein Kühlmedium angeschlossen
ist.
[0016] Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der Sorptionskanal mit einem Gasauslass
ausgestattet und mit ihm verbunden ist. Ferner ist gemäß der Erfindung vorgesehen,
dass am Gasauslass des Sorptionskanals ein schaltbares Saugzuggebläse angeschlossen
ist.
[0017] Weiterhin sind gemäß der Erfindung der Adsorber, der Sorptionskanal sowie Gaseinlass
und Gasauslass innerhalb des Gehäuses angeordnet.
[0018] Im Normalfall sind Gaseinlass und Gasauslass des Sorptionskanals mit dem Aktivkohleadsorber
verschlossen. Die Aktivkohle wird durch das Kühlmedium auf einer sehr niedrigen Temperatur
gehalten, die deutlich unter der Innenraumtemperatur des Gehäuses liegt. Diese Temperaturabsenkung
hat zwei Wirkungen: Einerseits verlangsamen sich die Alterung und die Degradation,
andererseits erhöht sich die Aufnahmekapazität der Aktivkohle. Dazu muss der Adsorber
aber dauerhaft kühlgehalten werden, weshalb eine gute Wärmedämmung erforderlich ist.
[0019] In einer Ausgestaltung der Erfindung verfügt die Vorrichtung über ein Leckageerkennungssystem,
welches die Verschlüsse am Gaseinlass und, sofern vorhanden, am Gasauslass automatisch
öffnet und das Saugzuggebläse, sofern vorhanden, automatisch einschaltet, wenn eine
Leckage erkannt wird. Das Leckageerkennungssystem ist üblicherweise ein Gasdetektor,
wobei ein Propangasmelder zum Einsatz kommen kann, andere Erkennungssysteme sind jedoch
ebenfalls geeignet. Für den Fall eines Stromausfalls sollte das Saugzuggebläse über
einen stets geladenen Akku verfügen.
[0020] Weitere Ansprüche betreffen das Kühlmedium. Es ist zwar problemlos möglich, ein extern
vorhandenes Kühlmedium zu verwenden, wenn dies günstig zur Verfügung steht, aber es
können auch zwei Möglichkeiten genutzt werden, Kühlmedien zu nutzen, die als Arbeitsfluide
im Kreisprozess verwendet werden. So kann alternativ vorgesehen werden dass entweder
das Kühlmedium entspanntes Arbeitsfluid ist, welches in Strömungsrichtung nach der
Entspannungsvorrichtung und vor dem als Verdampfer wirkenden Wärmeübertrager, strömt,
oder dass das Kühlmedium entspanntes Arbeitsfluid ist, welches in Strömungsrichtung
nach dem als Verdampfer wirkenden Wärmeübertrager zum Verdichter strömt.
[0021] Im Normalbetrieb muss hierbei nur der Wärmeverlust, der trotz der thermischen Dämmung
auftritt, ausgeglichen werden, was nur einen geringen Verlust bedeutet. Sofern der
Kreisprozess eine Wärmepumpe ist, welche die Energie aus dem Verdampfer bezieht, bedeutet
die Nutzung als Kühlmedium sogar eine Verbesserung der Wärmeausbeute. Ansonsten kann
es bei sehr geringen, auszugleichenden Wärmeeinträgen durch die thermische Dämmung
auch sinnvoll sein, nur einen kleinen Teilstrom des Arbeitsfluids durch die Kühlleitungen
hindurchzuleiten.
[0022] Die Kühlleitungen sind im Kühlkanal so zu verlegen, dass das Adsorbensmaterial zugänglich
bleibt, um es gegebenenfalls entnehmen und austauschen zu können. Gleichzeitig sollte
aber genügend Wärmeübertragungsfläche installiert werden. Dies kann dadurch geschehen,
dass man eine Kühlleitung mittig im Sorptionskanal verlegt und diese mit Kühlrippen
in Längsrichtung ausstattet. Die Abstände der Kühlrippen sollten größer sein als die
Partikel der Aktivkohle, sofern eine Aktivkohleschüttung als Adsorbens zum Einsatz
kommt.
[0023] Oft werden linksdrehende Kreisprozesse nicht das ganze Jahr über kontinuierlich betrieben.
Nach längeren Stillständen kann es daher sein, dass längere Zeit kein Kühlmedium durch
die Kühlleitungen geflossen ist und der Aktivkohleadsorber warm geworden ist. Da solche
Wiederanfahrvorgänge gleichzeitig die Betriebszustände sind, bei denen das höchste
Leckagerisiko besteht, ist es sinnvoll, den Adsorber stets gekühlt zu halten. Diese
Kühlhaltung kann durch Peltier-Elemente erfolgen, deren Aufgabe es ist, während der
Stillstandszeiten den Temperaturausgleich durch die thermische Dämmung zu kompensieren.
[0024] Weiterhin können Latentwärmespeicher zur Verlangsamung eines solchen stillstandsbedingten
Temperaturausgleichs eingesetzt werden. Dies kann entweder als zusätzliche Schicht
an der thermischen Dämmung oder in Form von Pellets, die in die Aktivkohleschüttung
hinzugemischt werden, erfolgen. Als Materialien können Salze, die Phasenänderungen
im relevanten Temperaturbereich durchführen, dienen, wobei sie mit Schutzhüllen zu
versehen sind. Derartige Materialien sind im Stand der Technik beschrieben.
[0025] Da der Aktivkohleadsorber während des Normalbetriebs verschlossen ist, kann er zuvor
mit einem Medium vorbeladen werden, welches eine geringere adsorptive Bindung als
das entzündliche Arbeitsfluid, welches im Leckagefall abzuscheiden ist, aufweist.
Während der Adsorption des Arbeitsfluids bewirkt die Adsorptionswärme eine Erwärmung
des Aktivkohleadsorbers, was unerwünscht ist. Dagegen bewirkt die Desorption des verdrängten
Mediums eine Abkühlung. Das zu verdrängende Medium kann dabei schon vorher unter hohem
Partialdruck adsorbiert werden, wobei die typischen Hystereseverläufe bewirken, dass
bei reduziertem Partialdruck zunächst keine vollständige Desorption erfolgt. Diese
Überladung mit einem zu verdrängenden Medium kann also dazu führen, dass die Wärmetönung
durch die Adsorption vollständig kompensiert wird, obwohl die geringere adsorptive
Bindung des Mediums tendenziell auch weniger Bindungsenergie verbraucht. Die höhere
Menge an desorbiertem Medium gleicht dies aus. Als bevorzugte Medien werden Stickstoff
und Kohlendioxid verwendet, deren Desorption in das Gehäuse verringert darüber hinaus
die Entzündungsgefahr im Fall einer Leckage.
[0026] In bevorzugten Ausführungsformen ist daher vorgesehen, dass
- das Adsorbens mit einem Adsorbat vorbeladen ist, welches vom Adsorptiv verdrängt wird
und dabei das Adsorbens kühlt,
- das Adsorbat, mit dem das Adsorbens vorbeladen ist, Stickstoff oder Kohlendioxid ist,
- das Adsorbens, welches mit dem Adsorbat vorbeladen ist, Aktivkohle ist,
- das Adsorptiv, welches das Adsorbat verdrängt, das Kältemittel R290 ist.
[0027] Das Gehäuse kann entweder geschlossen oder mit Öffnungen ausgeführt sein. Wenn das
Gas innerhalb des Gehäuses bleiben soll, ist entweder ein Zwangsumlauf vorzusehen,
der von einem Fördergebläse betrieben wird, oder die Adsorption des ausgetretenen
Arbeitsfluids findet allein durch Diffusion statt. Falls das Austreten des von Arbeitsfluid
abgereichertem oder ganz befreitem Gas zugelassen werden kann, kann entweder ein Fördergebläse
das Gas aus dem Sorptionskanal absaugen und über eine Auslassöffnung nach außen befördern,
wobei gleichzeitig durch eine Öffnung ein gleich großer Luftstrom von außen nachgeführt
werden muss, oder der bei der Leckage möglicherweise entstehende Überdruck im Gehäuse
treibt das Gas durch den Sorptionskanal aus der Auslassöffnung nach außen.
[0028] Sobald jedoch nach erfolgtem Druckausgleich das restliche Arbeitsfluid in den Sorptionskanal
diffundiert, würde ein Unterdruck entstehen, der ausgeglichen werden muss. Würde man
hier eine Rückströmung durch die Auslassöffnung und den damit verbundenen Sorptionskanal
zulassen, müsste auch mit einer Teildesorption gerechnet werden, was unerwünscht ist.
Aus diesem Grund wird eine separate Einlassöffnung ins Gehäuse vorgesehen, die als
Unterdrucksicherung ausgeführt wird.
[0029] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von vier Prinzipskizzen näher erläutert. Hierbei
zeigen Abbildungen 1-4 Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung. Es zeigen:
- Figur 1:
- eine Wärmepumpe mit einem Sorptionskanal und Zwangsumluft,
- Figur 2:
- eine Wärmepumpe mit einem Sorptionskanal und Lufteinleitung,
- Figur 3:
- eine Wärmepumpe mit einem Sorptionskanal und Zwangsspülung,
- Figur 4:
- eine Wärmepumpe mit einem Sorptionskanal und passiver Spülung.
[0030] Fig. 1 zeigt eine Wärmepumpe mit gekühltem Adsorber und Zwangsumlauf anhand einer Prinzipskizze
eines Kältekreises 1 mit einem Verdichter 2, einem Kondensator 3, einer Druckreduzierung
4 und einem Verdampfer 5 in einem Gehäuse 6. Die Wärmepumpe verfügt über einen Wärmequellen-Anschluss
7, einen Wärmequellen-Vorlauf 8, einen Wärmesenken-Vorlauf 9 und einen Wärmesenken-Anschluss
10.
[0031] Weiterhin ist im Gehäuse der Sorptionskanal 11 mit dem Aktivkohleadsorber 12 angeordnet.
Der Sorptionskanal 11 ist mit der Kühlleitung 17 ausgestattet, ferner optional mit
den Peltier-Elementen 19 und Latentwärmespeicherpellets. Die Kühlleitung 17 ist eingebunden
in den Kreisprozess, das Kühlmedium ist gleichzeitig das Arbeitsfluid. Es wird hinter
der Entspannungsvorrichtung 4, die üblicherweise ein geregeltes Entspannungsventil
ist, abgegriffen und durch die Kühlleitung 17 wieder zurück in den Kältekreis 1 geführt,
wo es in den Verdampfer 5 gelangt. Weiterhin ist der Sorptionskanal nach allen Seiten
thermisch gedämmt, wobei auf die thermische Dämmung 15 großer Wert gelegt wird.
[0032] Der Kältekreis 1 wird in diesem Beispiel mit dem entzündlichen Arbeitsfluid Propan,
welches auch unter der Bezeichnung R290 bekannt ist, betrieben. Propan ist schwerer
als Luft, daher sinkt es im Falle einer Leckage im Kältekreis 1 tendenziell im Gehäuse
6 nach unten, wenngleich es sich bei kleinen Leckagen gut vermischt. Eine solche Leckage
wird durch den Gasdetektor 18 erkannt. Im unteren Bereich des Gehäuses 6 ist daher
eine Öffnung mit einem absperrbaren Gaseinlass 13 vorgesehen, durch die ein Luft-Propangemisch
aus dem Innenraum in den Sorptionskanal 11 mit dem Aktivkohleadsorber 12 gelangt,
wenn Gaseinlass 13 und Gasauslass 14 auf Veranlassung des Gasdetektors 18 geöffnet
werden.
[0033] In einem solchen Fall zieht das ebenfalls von Gasdetektor 18 automatisch aktivierte
Saugzugsgebläse 16 eine definierte Menge Gas durch den Aktivkohleadsorber, wobei gereinigte
Luft, gegebenenfalls angereichert mit den Inertgasen Stickstoff und Kohlendioxid,
in das Gehäuse zurückgeführt werden. Wenn möglich wird dabei der Kältekreis 1 noch
etwas weiterbetrieben, um die Kühlleistung für den Aktivkohleadsorber 12 sicherzustellen.
Sobald der Aktivkohleadsorber beladen ist, werden Gaseinlass 13 und Gasauslass 14
wieder geschlossen und das Saugzuggebläse 16 wird ebenso wie die übrige Wärmepumpe
abgeschaltet und der Service wird gerufen.
[0034] Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem auf den Zwangsumlauf verzichtet wird. Im Leckagefall
diffundieren die entzündlichen Gasbestandteile durch die Gaseinlässe 13, die sich
in diesem Beispiel sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite des Sorptionskanals
11 befinden, in den Aktivkohleadsorber 12.
[0035] Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Saugzuggebläse 16 das beladene Gas, wie
in Fig. 1 dargestellt, das Gas durch den Sorptionskanal 11 zieht, sobald eine Leckage
erkannt ist. Abweichend davon wird das Gas jedoch nicht im Umlauf innerhalb des Gehäuses
6 geführt, sondern nach außen über die Auslassöffnung 21 geleitet. Eine dem entsprechende
Luftmenge wird durch die Einlassöffnung 20 von außen nachgeführt.
[0036] Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem auf ein Saugzuggebläse verzichtet wird.
Im Falle einer Leckage bewirkt der dadurch entstehende Überdruck, dass Gas nach außen
durch die Auslassöffnung 21 entweichen kann. Da das ausgetretene Arbeitsfluid im Gehäuse
6 nachfolgend vollständig im Aktivkohleadsorber 12 abgeschieden wird, muss der dann
entstehende Unterdruck im Gehäuse 6 durch Öffnen der Einlassöffnung 20 ausgeglichen
werden.
Bezugszeichenliste
[0037]
- 1
- Kältekreis
- 2
- Verdichter
- 3
- Kondensator
- 4
- Druckreduzierung
- 5
- Verdampfer
- 6
- Gehäuse
- 7
- Wärmequellen-Anschluss
- 8
- Wärmequellen-Vorlauf
- 9
- Wärmesenken-Vorlauf
- 10
- Wärmesenken-Anschluss
- 11
- Sorptionskanal
- 12
- Aktivkohleadsorber
- 13
- Gaseinlass
- 14
- Gasauslass
- 15
- Thermische Dämmung
- 16
- Saugzuggebläse
- 17
- Kühlleitung
- 18
- Gasdetektor
- 19
- Peltier-Element
- 20
- Einlassöffnung
- 21
- Auslassöffnung
1. Vorrichtung zur sicheren Durchführung eines linksdrehenden thermodynamischen Kreisprozesses
(1) mittels eines entzündlichen Arbeitsfluids, welches in einem geschlossenen, hermetisch
dichten Arbeitsfluidumlauf geführt wird, aufweisend
- mindestens einen Verdichter (2) für Arbeitsfluid,
- mindestens eine Entspannungseinrichtung (4) für Arbeitsfluid,
- mindestens zwei Wärmeübertrager (3, 5) für Arbeitsfluid mit jeweils mindestens zwei
Anschlüssen (7, 8, 9, 10) für Wärmeüberträgerfluide,
- ein Gehäuse (6), welches wenigstens den Verdichter (2) und die Entspannungseinrichtung
(4) umfasst und weitere Einrichtungen umfassen kann,
- mindestens einen Sorptionskanal (11) mit einem Aktivkohle enthaltenden Adsorber
(12), der von Gas durchströmt werden kann
- und der Sorptionskanal (11) mit dem Adsorber (12) sowie seinem Gaseinlass (13) verbunden
ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Sorptionskanal (11) mit einem Gasauslass (14) ausgestattet ist und mit ihm verbunden
ist,
- am Gasauslass (14) des Sorptionskanals (11) ein schaltbares Saugzuggebläse (16)
angeschlossen ist
- der Adsorber (12), der Sorptionskanal (11) sowie Gaseinlass (13) und Gasauslass
(14) innerhalb des Gehäuses (6) angeordnet sind,
- der Sorptionskanal (11) gegenüber seinem Äußeren durch eine thermische Dämmung (15)
begrenzt wird,
- der Sorptionskanal (11) am Gaseinlass (13) verschließbar ist, und
- im Sorptionskanal (11) mindestens eine Kühlleitung (17) verlegt ist, die an ein
Kühlmedium angeschlossen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse ein Leckageerkennungssystem (18) vorgesehen ist, welches den Verschluss
am Gaseinlass (13) öffnet.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Öffnen des Verschlusses am Gaseinlass (13) auch der Verschluss am Gasauslass
(14) öffnet und das Saugzuggebläse (16) einschaltet wird, wenn eine Leckage erkannt
wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Leckageerkennungssystem (18) ein Gasdetektor für entzündliches Gas, insbesondere
Propan, ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium entspanntes Arbeitsfluid ist, welches in Strömungsrichtung nach der
Entspannungsvorrichtung (4) und vor dem als Verdampfer wirkenden Wärmeübertrager (5),
strömt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium entspanntes Arbeitsfluid ist, welches in Strömungsrichtung nach dem
als Verdampfer wirkenden Wärmeübertrager (5) zum Verdichter (2) strömt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom des Arbeitsfluids als Kühlmedium genutzt wird.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte Arbeitsfluid als Kühlmedium genutzt wird.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kühlleitung (17) in Längsrichtung Kühlrippen aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Peltier-Elemente (19) zur Kühlung oder Kühlhaltung eingesetzt werden.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Latentwärmespeicher zur Kühlhaltung im Sorptionskanal vorgesehen werden.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbens mit einem Adsorbat vorbeladen ist, welches vom Adsorptiv verdrängt
wird und dabei das Adsorbens kühlt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbat, mit dem das Adsorbens vorbeladen ist, Stickstoff oder Kohlendioxid
ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbens, welches mit dem Adsorbat vorbeladen ist, Aktivkohle ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorptiv, welches das Adsorbat verdrängt, das Kältemittel R290 ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mit einer Einlassöffnung (20) und einer Auslassöffnung (21) verbunden
ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung (21) mit einem Fördergebläse (16) verbunden ist.
1. Device for safely performing an anti-clockwise thermodynamic cycle (1) by means of
an ignitable working fluid, which is guided in a closed, hermetically sealed working
fluid circuit, having
- at least one compressor (2) for working fluid,
- at least one expansion apparatus (4) for working fluid,
- at least two heat exchangers (3, 5) for working fluid, each having at least two
connections (7, 8, 9, 10) for heat exchanging fluids,
- a housing (6), which comprises at least the compressor (2) and the expansion apparatus
(4) and may comprise further apparatuses,
- at least one sorption channel (11) with an adsorber (12) containing activated carbon,
through which gas can flow
- and the sorption channel (11) is connected to the adsorber (12) and its gas inlet
(13), characterised in that
- the sorption channel (11) is equipped with a gas outlet (14) and is connected to
it,
- a switchable induced draught fan (16) is connected to the gas outlet (14) of the
sorption channel (11)
- the adsorber (12), the sorption channel (11), as well as the gas inlet (13) and
gas outlet (14), are arranged inside the housing (6),
- the sorption channel (11) is delimited with respect to its exterior by thermal insulation
(15),
- the sorption channel (11) can be closed at the gas inlet (13), and
- at least one cooling line (17) is laid in the sorption channel (11) and is connected
to a cooling medium.
2. Device according to claim 1, characterised in that a leakage detection system (18) is provided in the housing which opens the closure
at the gas inlet (13).
3. Device according to any one of claims 1 or 2, characterised in that when opening the closure at the gas inlet (13) the closure at the gas outlet (14)
also opens and the induced draught fan (16) is switched on when a leakage is detected.
4. Device according to claim 2, characterised in that the leakage detection system (18) is a gas detector for ignitable gas, in particular
propane.
5. Device according to any one of claims 1 to 4, characterised in that the cooling medium is expanded working fluid which flows in the direction of flow
downstream of the expansion device (4) and upstream of the heat exchanger (5) acting
as an evaporator.
6. Device according to any one of claims 1 to 4, characterised in that the cooling medium is expanded working fluid, which flows in flow direction downstream
of the heat exchanger (5) acting as an evaporator to the compressor (2).
7. Device according to any one of claims 5 or 6, characterised in that a partial flow of the working fluid is used as cooling medium.
8. Device according to any one of claims 5 or 6, characterised in that the entire working fluid is used as cooling medium.
9. Device according to any one of claims 1 to 8, characterised in that the at least one cooling line (17) has cooling fins in longitudinal direction.
10. Device according to any one of claims 1 to 9, characterised in that Peltier elements (19) are additionally used for cooling or maintaining the cooling.
11. Device according to any one of claims 1 to 10, characterised in that latent heat accumulators are additionally provided for maintaining the cooling in
the sorption channel.
12. Device according to any one of claims 1 to 11, characterised in that the adsorbent is preloaded with an adsorbate, which is displaced by the adsorptive
and thereby cools the adsorbent.
13. Device according to claim 12, characterised in that the adsorbate, with which the adsorbent is preloaded, is nitrogen or carbon dioxide.
14. Device according to claim 12, characterised in that the adsorbent, which is preloaded with the adsorbate, is activated carbon.
15. Device according to claim 12, characterised in that the adsorptive, which displaces the adsorbate, is the refrigerant R290.
16. Device according to any one of claims 1 to 15, characterised in that the housing is connected to an inlet opening (20) and an outlet opening (21).
17. Device according to claim 16, characterised in that the outlet opening (21) is connected to a conveying fan (16).
1. Dispositif destiné à la mise en oeuvre sûre d'un processus à cycle thermodynamique
(1) tournant à gauche au moyen d'un fluide de travail inflammable qui est guidé dans
un circuit de fluide de travail fermé et hermétiquement étanche, présentant
- au moins un compresseur (2) pour un fluide de travail,
- au moins un équipement de détente (4) pour un fluide de travail,
- au moins deux échangeurs de chaleur (3, 5) pour un fluide de travail avec respectivement
au moins deux raccords (7, 8, 9, 10) pour des fluides d'échangeur de chaleur,
- un boîtier (6) qui comprend au moins le compresseur (2) et l'équipement de détente
(4) et peut comprendre d'autres équipements,
- au moins un canal de sorption (11) avec un adsorbant (12) contenant du charbon actif,
qui peut être traversé par du gaz
- et le canal de sorption (11) est connecté à l'adsorbeur (12) ainsi qu'à son entrée
de gaz (13), caractérisé en ce que
- le canal de sorption (11) est équipé d'une sortie de gaz (14) et est connecté à
celle-ci,
- un ventilateur de tirage par aspiration (16) commutable est raccordé à la sortie
de gaz (14) du canal de sorption (11)
- l'adsorbeur (12), le canal de sorption (11) ainsi que l'entrée de gaz (13) et la
sortie de gaz (14) sont disposés à l'intérieur du boîtier (6),
- le canal de sorption (11) est limité par rapport à son extérieur par une isolation
thermique (15),
- le canal de sorption (11) peut être fermé à l'entrée de gaz (13), et
- au moins une conduite de refroidissement (17) est posée dans le canal de sorption
(11), conduite qui est raccordée à un agent réfrigérant.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un système de détection de fuite (18), qui ouvre la fermeture à l'entrée de gaz (13),
est prévu dans le boîtier.
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, lors de l'ouverture de la fermeture à l'entrée de gaz (13), la fermeture à la sortie
de gaz (14) s'ouvre également et le ventilateur de tirage par aspiration (16) est
mis en marche lorsqu'une fuite est détectée.
4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le système de détection de fuite (18) est un détecteur de gaz inflammable, en particulier
de propane.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'agent réfrigérant est un fluide de travail détendu qui s'écoule en aval du dispositif
de détente (4) et en amont de l'échangeur de chaleur (5) agissant en tant qu'évaporateur.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'agent réfrigérant est un fluide de travail détendu qui s'écoule vers le compresseur
(2) dans le sens d'écoulement en aval de l'échangeur de chaleur (5) agissant en tant
qu'évaporateur.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'un flux partiel du fluide de travail est utilisé en tant qu'agent réfrigérant.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que la totalité du fluide de travail est utilisée en tant qu'agent réfrigérant.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la au moins une conduite de refroidissement (17) présente des ailettes de refroidissement
dans le sens longitudinal.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que des éléments Peltier (19) sont en outre utilisés pour le refroidissement ou le maintien
au frais.
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que des accumulateurs de chaleur latente sont en outre prévus pour le maintien au frais
dans le canal de sorption.
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'adsorbant est préchargé avec un adsorbat qui est déplacé par le corps absorbé et
refroidit ainsi l'adsorbant.
13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'adsorbat avec lequel l'adsorbant est préchargé est de l'azote ou du dioxyde de
carbone.
14. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'adsorbant, qui est préchargé avec l'adsorbat, est du charbon actif.
15. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'adsorbant, qui déplace l'adsorbat, est du réfrigérant R290.
16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que le boîtier est connecté à une ouverture d'entrée (20) et à une ouverture de sortie
(21).
17. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'ouverture de sortie (21) est connectée à un ventilateur de transport (16).