DE9304301U1

DE9304301U1 - Kälteanlage

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Publication number: DE9304301U1
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Authority: DE
Original assignee: SCHUETZ PETER 4152 KEMPEN DE
Current assignee: SCHUETZ PETER 4152 KEMPEN DE
Priority date: 1993-03-23
Filing date: 1993-03-23
Publication date: 1993-06-03
Anticipated expiration: 2003-03-24

Description

Beschreibung!

Peter Schütz. Industriering Ost. W-4152 Kempen Kälteanlage

Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage mit einer Kältemaschine zur Erzeugung von Kälte, die einen Primärkreislauf mit einem Verdampfer und ein insbesondere brennbares Kältemittel aufweist, und mit einem Sekundärkreislauf.

Derartige Kälteanlagen werden zum Beispiel bei der gewerblichen Herstellung und Lagerung von Lebensmitteln und in Fabrikationsanlagen und Klimaanlagen insbesondere der chemischen Industrie eingesetzt. Dazu wird ein abzukühlender Stoff in den Sekundärkreislauf der Kälteanlage eingespeist, durchläuft einen Wärmetauscher, in dem er abgekühlt wird und tritt schließlich mit der gewünschten Temperatur wieder aus. Der Wärmetauscher trennt den Sekundärkreislauf stofflich vom Primärkreislauf und ist zum Beispiel als Rohrschlange ausgebildet direkt in den Verdampfer der Kältemaschine integriert.

Auf diese Weise läßt sich eine schnelle und ökonomische Kühlung eines Stoffes erreichen, jedoch besteht ständig die Gefahr, daß bei einem Durchbruch des Wärmetauschers Kältemittel vom Primärkreislauf in den Sekundärkreislauf eintritt und damit den abzukühlenden Stoff verunreinigt.

Die zur Erzeugung der Kälte eingesetzten Kältemaschinen sind zumeist Kompressions-Kältemaschinen, die neben Ammoniak fast ausschließlich Fluor- und Chlorderivate der Kohlenwasserstoffe Methan und Äthan als Kältemittel beinhalten. Im Hinblick auf zunehmend strengere Umweltschutzvorschriften werden immer

häufiger reine Kohlenwasserstoffe, wie zum Beispiel das brennbare Propan, eingesetzt. Bekanntlich kommen in einer Kälteanlage Undichtigkeiten im Primärkreislauf vor, so daß in der Umgebung einer mit einem brennbaren Kältemittel betriebenen Kälteanlage und bei der Verarbeitung eines mit ihr gekühlten Stoffes ständig Brand- bzw. Explosionsgefahr gegeben ist. Die vorgenannten Umstände sind insbesondere dann von Nachteil, wenn die Undichtigkeit im Primärkreislauf über längere Zeit unbemerkt bleibt und währenddessen ein großer Teil des Kältemittels entweicht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kälteanlage bereitzustellen, bei deren Betrieb auch mit gefährlichen, insbesondere brennbaren Kältemitteln eine hohe Sicherheit gegen Brand und Explosion gegeben ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kälteanlage gelöst, in der ein geschlossener Sicherheitskreislauf zur übertragung von Kälte vom Verdampfer zum Sekundärkreislauf und wenigstens ein Sensor zur Erfassung von Kältemittelaustritt aus dem Primärkreislauf vorgesehen ist, wobei der Sensor bzw. die Sensoren derart mit der Kältemaschine verbunden ist bzw. sind, daß die Kältemaschine bei Erfassung von Kältemittelaustritt abgeschaltet wird.

Dadurch, daß ein geschlossener Sicherheitskreislauf zur Übertragung von Kälte zwischen den Primär- und den Sekundärkreislauf geschaltet ist, kann bei einer Undichtigkeit im Verdampfer der Kältemaschine das Kältemittel nicht mehr direkt den Sekundärkreislauf gelangen, sondern wird vom Sicherheitskreislauf aufgenommen. Die Gefahr der Verunreinigung eines im Sekundärkreislauf zu kühlenden Stoffes mit einem durch Undichtigkeiten austretenden Kältemittel ist damit ausgeschaltet.

Weiterhin wirkt sich vorteilhaft auf die Betriebssicherheit der

Kälteanlage aus, daß die Kältemaschine bei Erfassung von Kältemittelaustritt abgeschaltet wird, weil sich dann die verschiedenen Druckniveaus im Primärkreislauf ausgleichen und Kältemittel nur noch aufgrund des wesentlich niedrigeren Dampfdruckes des Kältemittels selbst aus Undichtigkeiten austritt. Oft wird dadurch der weitere Austritt von Kältemittel bereits vollständig verhindert oder aber in wesentlichem Maße verringert, so daß alleine aufgrund des bereits ausgetretenen Kältemittels noch keine Explosionsgefahr besteht.

Auf den Austritt von Kältemittel kann besonders schnell reagiert werden, wenn zusätzlich eine Alarmvorrichtung vorgesehen ist, wobei der Sensor bzw. die Sensoren derart mit der Alarmvorrichtung verbunden ist bzw. sind, daß bei Erfassung von Kältemittelaustritt ein Warnsignal und die Abschaltung der Maschine ausgelöst wird. Der Betreiber der Kälteanlage wird dann frühzeitig auf die Betriebsstörung und die damit verbundene Gefahrensituation aufmerksam gemacht, so daß sich die Zeitspanne für mögliche Gegenmaßnahmen verlängert.

Besonders zuverlässig ist die Überwachung des Austritts von Kältemittel aus dem Primärkreislauf dann, wenn eine überwachungseinrichtung zur Erfassung eines Verbindungsabrisses zwischen dem Sensor bzw. den Sensoren und der Kältemaschine vorgesehen ist, wobei die Überwachungseinrichtung derart mit der Kältemaschine verbunden ist, daß die Kältemaschine bei Erfassung eines Verbindungsabrisses abgeschaltet wird. Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung ist sichergestellt, daß die Kältemaschine nur betrieben werden kann, wenn die Sensoren zur Erfassung von Kältemittelaustritt funktionstüchtig mit der Kältemaschine verbunden sind. Mit dieser Maßnahme wird insbesondere auch die gefährliche, unter nicht-fachkundigen Anwendern aber gängige Praxis verhindert, eine aufgrund eines ansprechenden Sensors abgeschaltete Kältemaschine durch einfaches Abklemmen des betreffenden Sensors wieder in Gang zu setzen.

Manchmal wird jedoch die Verbindung zwischen einem Sensor und der Kältemaschine unbemerkt durch ein unvorhergesehenes Ereignis wie z.B. einem Unfall unterbrochen. Für diesen Fall ist es vorteilhaft, wenn eine weitere Alarmvorrichtung vorgesehen ist, wobei diese Alarmvorrichtung derart mit der überwachungseinrichtung verbunden ist, daß bei der Erfassung eines Verbindungsabrisses ein Alarmsignal ausgelöst wird. Aufgrund dieses Alarmsignals wird der Betreiber unverzüglich auf den Verbindungsabriß aufmerksam gemacht. Er kann die Unterbrechung folglich direkt im Anschluß an die Entstehung der Betriebsstörung beheben, so daß die Zeitspanne, in der die Verbindung zu dem betreffenden Sensor unterbrochen ist, kurz gehalten wird.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß wenigstens einer der Sensoren als Sicherheitsüberdruckschalter ausgebildet und im Sicherheitskreislauf angeordnet ist. Ein Sensor dieses Typs zeigt den übertritt von Kältemittel vom Primärkreislauf in den Sekundärkreislauf an, weil sich der unter normalen Betriebsbedingungen konstante Druck im Sicherheitskreislauf durch das zusätzlich eingepreßte Kältemittel erhöht. Somit wird ein Durchbruch im Verdampfer des Primärkreislaufs zum Sicherheitskreislauf zuverlässig und vor allen Dingen frühzeitig offensichtlich, noch bevor es zum Austritt von Kältemittel aus der Kältemaschine oder zum übertritt von Kältemittel vom Sicherheitskreislauf in den Sekundärkreislauf kommt.

Nach der Erfindung ist desweiteren vorgesehen, daß wenigstens einer der Sensoren als Primärniederdruckschalter ausgebildet und im Primärkreislauf angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Anordnung eines derartigen Sensors im Primärkreislauf macht sich zunutze, daß beim Austritt von Kältemittel aus dem Primärkreislauf mit dem Kältemittelverlust eine deutliche Druckabsenkung einhergeht. Durch die Überwachung des

Primärkreislaufs mit einem Primärniederdruckschalter wird sichergestellt, daß ein solcher Austritt von Kältemittel rasch und zuverlässig bemerkt wird. Besonders bei Kältemaschinen mit einem Verdichter, die mit einem erfindungsgemäßen Primärdruckschalter zur Erfassung von Kältemittelaustritt ausgerüstet sind, ist es vorteilhaft, wenn der Primärniederdruckschalter im Umlaufsinn des Primärkreislaufs vor dem Verdichter angeordnet ist. Dadurch wird nämlich verhindert, daß der Primärniederdruckschalter auf stets mögliche Druckänderungen auf der Druckseite des Verdichters anspricht.

Der Sensor zur Erfassung von Kältemittelaustritt kann jedoch auch ein Kältemitteldetektor sein, der in unmittelbarer Umgebung der Kältemaschine angeordnet ist. Sensoren dieses Typs weisen ausgetretenes Kältemittel aus dem Primärkreislauf auch in kleinen Konzentrationen direkt und zuverlässig nach. Auf solche Weise in kleinen Mengen austretendes Kältemittel kündigt oft bereits frühzeitig eine später plötzlich auftretende massive Undichtigkeit des Primärkreislaufs an. Der erfindungsgemäß angeordnete Kältemitteldetektor weist somit bereits früh auf derartige Betriebsstörungen hin, so daß sich die Betriebssicherheit der erfindungsgemäßen Kälteanlage dadurch entscheidend erhöht.

Für erhöhte Sicherheitsanforderungen kann der Sekundärkreislauf wenigstens ein Sekundärventil aufweisen, das derart mit dem Sensor bzw. den Sensoren verbunden ist, daß das Sekundärventil bzw. die Sekundärventile bei Erfassung von Kältemittelaustritt geschlossen wird bzw. werden. Mit dieser Maßnahme wird der Durchfluß des zu kühlenden Stoffes durch den Sekundärkreislauf gestoppt, so daß sich druckbedingte Durchbrüche vom Primärkreislauf in den Sicherheitskreislauf auch in den Sekundärkreislauf fortsetzen können, ohne daß mit Kältemittel verunreinigter zu kühlender Stoff aus dem Sekundärkreislauf austritt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der
Sicherheitskreislauf wenigstens eine Umwälzpumpe auf, die
derart mit dem Sensor bzw. den Sensoren verbunden ist, daß die Umwälzpumpe bei Erfassung von Kältemittelaustritt abgeschaltet wird. Diese Maßnahme wirkt sich insbesondere bei dem übertritt von Kältemittel vom Primärkreislauf in den Sicherheitskreislauf aus, weil die Gefahr eines weiteren Übertritts von Kältemittel in den Sekundärkreislauf gemindert wird, indem bei einer
Betriebsstörung der von der Umwälzpumpe zusätzlich erzeugte
Druck wegfällt.

Desweiteren ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß das
Kältemittel Propan ist. Propan ist ein Kältemittel, das weder
Fluor- noch Chlorbestandteile aufweist, was den Vorteil hat,
daß austretendes Kältemittel nicht die Ozonschicht der
Atmosphäre schädigt und den Treibhauseffekt nicht weiter
unterstützt.

In Kombination mit den vorbeschriebenen Ausführungsformen kann wenigstens die Kältemaschine von einem geschlossenen Gehäuse
umgeben sein. Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kälteanlage verteilt sich das im Falle einer Betriebsstörung
austretende Kältemittel nicht unkontrolliert, sondern bleibt in dem geschlossenen Gehäuse eingeschlossen. Bei nachfolgenden
Reparaturmaßnahmen kann diesem Umstand durch besondere
Vorsichtsmaßnahmen Rechnung getragen werden. Besonders sicher
ist die vorgenannte Ausbildungsform dann, wenn die gesamte
Kälteanlage mit Ausnahme des Sekundärkreislaufes von dem
geschlossenen Gehäuse umgeben ist, weil damit auch über den
Sicherheitskreislauf nach außen austretendes Kältemittel in dem Gehäuse aufgefangen wird.

Schließlich ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der
Sicherheitskreislauf mit einem frostsicheren, nicht brennbaren Gemisch gefüllt ist. Bei einem Übertritt dieses Gemisches vom

Sicherheitskreislauf in den Sekundärkreislauf wird zwar der zu kühlende Stoff geringfügig verunreinigt, es entsteht jedoch keine Betriebsstörung mit Brand- oder Explosionsgefahr.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Sie zeigt die Hauptteile einer erfindungsgemäßen Kälteanlage (1).

Die Kälteanlage (1) gliedert sich in den Primärkreislauf (2) zur Erzeugung der Kälte, den Sekundärkreislauf (3) zur Kühlung eines flüssigen Stoffes und in den Sicherheitskreislauf (4) zur übertragung der Kälte vom Primärkreislauf an den Sekundärkreislauf auf.

Der Primärkreislauf (2) weist die wesentlichen Teile einer einstufigen Kompressionskältemaschine, nämlich einen Verdampfer (5), einen Verdichter (6), einen Kondensator (7), und ein Drosselventil (8) auf. Der Primärkreislauf ist desweiteren mit einem Kältemittel R 290, nämlich Propan, gefüllt, das im Betriebszustand im Verdampfer (5) gasförmig vorliegt.

Das Kältemittel wird vom Verdichter (6) angesaugt und verdichtet, wodurch es sich gleichzeitig erwärmt. Unter Ausnützung der spezifischen Stoffeigenschaften des verwendeten Kältemittels wird das Kältemittel anschließend bei konstantem Druck im Kondensator (7) abgekühlt und damit verflüssigt. Schließlich wird das verflüssigte und unter Druck stehende Kältemittel durch das Drosselventil (4) unter gleichzeitiger Abkühlung durch den Joule-Thompson-Effekt wieder auf den ursprünglichen Druck entspannt und erneut dem Verdampfer (5) zugeführt.

An weiteren Bauteilen sind im Primärkreislauf ein Niederdruckschalter (9), ein Schauglas (10), ein Trockner (11) und zwei Kappenabsperrventile (12) vorgesehen. Der Niederdruckschalter (9) spricht an, wenn der Druck auf der

Ansaugseite des Verdichters (6) unter einen bestimmten Druck abfällt. Er gehört zu den sicherheitsrelevanten Bauteilen der Kälteanlage. Im Trockner (10) wird das Kältemittel von Wasserpartikeln gereinigt, und im Schauglas (11) kann das ordnungsgemäße Arbeiten der Kältemaschine visuell überprüft werden. Die Kappenabsperrventile (12) unterstützen im wesentlichen eine einfache Montage und Demontage des Verdichters (6). Eine Druckausgleichsleitung (13) verbindet das hochdruckseitige Ende des Drosselventils (8) mit dem niederdruckseitigen Ende des Verdichters (6), und zwar kurz vor dem Niederdruckschalter (9).

Schließlich ist noch eine Regeleinrichtung (14) vorgesehen, die den Öffnungsgrad des Drosselventils (8) in Abhängigkeit des Dampfdrucks des Kältemittels im Verdampfer (5) einstellt.

Der Sicherheitskreislauf (4) ist mit einem Antifrogen-Gemisch gefüllt und bis -30⁰C gefriersicher. Der Sicherheitskreislauf (4) ist durch den Verdampfer (5) geführt, in dem das Antifrogen-Gemisch des Sicherheitskreislaufs abgekühlt wird. Eine Umwälzpumpe (15) befördert das so abgekühlte Antifrogen-Gemisch zum Sicherheitswärmetauscher (16), in dem es seinerseits den zu kühlenden Stoff im Sekundärkreislauf (3) abkühlt. Im Sicherheitskreislauf (4) sind weiterhin ein Sicherheitsüberdruckschalter (17), der bei überschreiten eines bestimmten Höchstdruckes anspricht, ein Entleerventil (18), ein Druckmanometer (19), ein Membranausdehnungsgefäß (20) und ein Füllventil (21) angordnet.

Der Sekundärkreislauf (3) schließlich weist einen Zulauf (22) und einen Rücklauf (23) auf. Der zu kühlende Stoff wird in den Vorlauf (22) eingespeist, durchläuft den Sicherheitswärmetauscher (16), wird dort durch die vom Sicherheitskreislauf (4) übertragene Kälte abgekühlt und tritt schließlich gekühlt wieder aus dem Rücklauf (23) aus.

Wie bereits erwähnt, stellen der Niederdruckschalter (9) und auch der Sicherheitüberdruckschalter (17) sicherheitsrelevante Bauteile für die Funktion der Kälteanlage (1) dar. Sie dienen zum überwachen des Austritts von Kältemittel aus dem Primärkreislauf (2). Kältemittel, das aus dem Primärkreislauf (2) austritt, entweicht entweder aus einer Undichtigkeit eines Bauteils des Primärkreislauf auf direktem Weg an die Umgebung oder aber es tritt über den Verdampfer (5) in den Sicherheitskreislauf (4) über.

Der Niederdruckschalter (9) überwacht, ob der Druck des Kältemittels im Verdampfer (5) unter einen bestimmten Druck abfällt, was auf einen Verlust von Kältemittel hindeutet. Er steht über einer nicht näher dargestellten Einrichtung mit dem Verdichter (6) und der Umwälzpumpe (15) in Verbindung und stoppt beim Unterschreiten eines bestimmten Drucks infolge von Kältemittelverlust sowohl den Verdichter (6) als auch die Umwälzpumpe (15).

Bei übertritt von Kältemittel vom Primärkreislauf (2) in den Sicherheitskreislauf (4) erhöht sich der Druck im Sicherheitskreislauf (4) sofort. Der

Sicherheitsüberdruckschalter (17) ist so eingestellt, daß er bereits bei geringen Druckerhöhungen im Sicherheitskreislauf anspricht. Er steht genau wie der Niederdruckschalter (9) mit der Umwälzpumpe (15) und dem Verdichter (6) derart in Verbindung, daß deren Betrieb beim Ansprechen den Sicherheitsüberdruckschalters (17) unterbrochen wird.

Claims

Ansprüche &igr; Peter Schütz. Industrierina Ost. W-4152 Kempen Kälteanlage

1. Kälteanlage mit einer Kältemaschine zur Erzeugung von Kälte, die einen Primärkreislauf (2) mit einem Verdampfer (5) und ein insbesondere brennbares Kältemittel aufweist, und mit einem Sekundärkreislauf (3),

dadurch gekennzeichnet, daß ein geschlossener Sicherheitskreislauf (4) zur übertragung von Kälte vom Verdampfer (5) zum Sekundärkreislauf (3) und wenigstens ein Sensor zur Erfassung von Kältemittelaustritt aus dem Primärkreislauf vorgesehen ist, wobei der Sensor bzw. die Sensoren derart mit der Kältemaschine verbunden ist bzw. sind, daß die Kältemaschine bei Erfassung von Kältemittelaustritt abgeschaltet wird.

2. Kälteanlage nach Anspruch (1),

dadurch gekennzeichnet, daß eine Alarmvorrichtung vorgesehen ist, wobei der Sensor bzw. die Sensoren derart mit der Alarmvorrichtung verbunden ist bzw. sind, daß bei Erfassung von Kältemittelaustritt ein Alarmsignal ausgelöst wird.

3. Kälteanlage nach einem der Ansprüche (1) und (2),

dadurch gekennzeichnet, daß eine überwachungseinrichtung zur Erfassung eines Verbindungsabrisses zwischen dem Sensor bzw. den Sensoren und der Kältemaschine vorgesehen ist, wobei die überwachungseinrichtung derart mit der Kältemaschine verbunden ist, daß die Kältemaschine bei Erfassung eines Verbindungsabrisses abgeschaltet wird.

4. Kälteanlage nach Anspruch (3),

dadurch gekennzeichnet, daß eine Alarmvorrichtung vorgesehen ist, wobei die Alarmvorrichtung derart mit der Überwachungseinrichtung verbunden ist, daß bei Erfassung eines Verbindungsabrisses ein Alarmsignal ausgelöst wird.

5. Kälteanlage nach einem der Ansprüche (1) bis (4), dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Sensoren als Sicherheitsüberdruckschalter (17) ausgebildet und im Sicherheitskreislauf (4) angeordnet ist

6. Kälteanlage nach einem der Ansprüche (1) bis (5), dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Sensoren als Primärniederdruckschalter (9) ausgebildet und im Primärkreislauf (2) angeordnet ist.

7. Kälteanlage nach einem der Ansprüche (1) bis (6), dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemaschine wenigstens einen Verdichter (6) aufweist.

8. Kälteanlage nach Anspruch (7),

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Sensoren als Primärniederdruckschalter (9) ausgebildet ist, der im Primärkreislauf (2) angeordnet ist und der bei Unterschreiten eines bestimmten Druckes anspricht, wobei der bzw. die Primärniederdruckschalter (9) im Umlaufsinn des Primärkreislaufs (2) vor dem Verdichter (6) bzw. den Verdichtern angeordnet ist bzw. sind.

9. Kälteanlage nach einem der Ansprüche (1) bis (8), dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Sensoren ein Kältemitteldetektor ist, der in der unmittelbaren Umgebung der Kältemaschine angeordnet ist.

10. Kälteanlage nach einem der Ansprüche (1) bis (9), dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärkreislauf wenigstens ein Sekundärventil aufweist, das derart mit dem Sensor bzw.

den Sensoren verbunden ist, daß das Sekundärventil bzw. die Sekundärventile bei Erfassung von Kältemittelaustritt geschlossen wird bzw. werden.

11. Kälteanlage nach einem der Ansprüche (1) bis (10), dadurch gekennzeichnet, daß der Sicherheitskreislauf wenigstens eine Umwälzpumpe (15) aufweist, die derart mit dem Sensor bzw. den Sensoren verbunden ist, daß die Umwälzpumpe (15) bzw. die Umwälzpumpen bei Erfassung von Kältemittelaustritt abgeschaltet wird bzw. werden.

12. Kälteanlage nach Anspruch (1) bis (11),

dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel Propan ist.

13. Kälteanlage nach einem der Ansprüche (1) bis (12),

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Kältemaschine von einem geschlossenen Gehäuse umgeben ist.

14. Kälteanlage nach einem der Ansprüche (1) bis (13), dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Kälteanlage mit Ausnahme des Sekundärkreislaufs von einem geschlossenen Gehäuse umgeben ist.

15. Kälteanlage nach einem der Ansprüche (1) bis (14), dadurch gekennzeichnet, daß der Sicherheitskreislauf mit einem frostsicheren, nicht brennbaren Gemisch gefüllt ist.