kaeltemittel report bitzer · 2012-06-15 · r407a, r407b und r407f als ersatzstoffe für r502 und...

2RR4407C

R717

R404A440 °°CC

KÄLTEMITTEL-REPORT 16

A-500-16

Kältemittel Report

Inhalt Änderung/Ergänzung gegenüber 15. AuflageSeite

334667

88

99

111111

13151617171819202021222223

242425262829

33

36

38

Mit dieser Ausgabe verlieren alle vorherigen ihre Gültigkeit.

Allgemeine Aspekte zur Kältemittel-EntwicklungEinführungAlternativ-Kältemittel (Übersicht)Umwelt-AspekteTreibhauseffekt und TEWI-KennwertÖko-Effizienz

HFCKW-KältemittelR22 als Übergangskältemittel

Chlorfreie (HFKW)-KältemittelR134a als Ersatzstoff für R12 und R22 ! Schmierstoffe für HFKWAlternativen zu R134aR152a – eine Alternative zu R134a (?)„Low GWP” Kältemittel HFO-1234yf

Kältemittelgemische (Blends)Service-Gemische als Ersatzstoffe für R502Service-Gemische als Ersatzstoffe für R12 (R500)Chlorfreie R502- und R22-Alternativen (Gemische)R404A und R507A als Ersatzstoffe für R502 und R22R407A, R407B und R407F als Ersatzstoffe für R502 und R22R422A als Ersatzstoff für R502 und R22 Chlorfreie R22-Alternativen (Gemische) R407C als Ersatzstoff für R22R410A als Ersatzstoff für R22R417A, R417B, R422D und R438A als Ersatzstoffe für R22R427A als Ersatzstoff für R22HFO/HFKW-Gemische als HFKW-Alternativen

Halogenfreie KältemittelNH3 (Ammoniak) als Alternativ-KältemittelR723 (NH3/DME) als Alternative zu NH3R290 (Propan) als Ersatzstoff für R502 und R22Propylen (R1270) als Alternative zu PropanCO2 als Alternativ-Kältemittel und Sekundär-Fluid

Sonderanwendungen

Kältemitteldaten

Anwendungsbereiche ! Schmierstoffe

Einführung

Allgemeine Aspekte zur Kältemittel-Entwicklung

Stratosphärischer Ozonabbau sowie at-mosphärischer Treibhauseffekt durch Käl-temittel-Emissionen führten seit Anfangder 90er-Jahre zu einschneidenden Verän-derungen in der Kälte- und Klimatechnik.

Dies gilt besonders für den Bereich dergewerblichen Kälte- und Klimaanlagen mitihrem weit reichenden Anwendungsspek-trum. Für solche Systeme wurden frühervorrangig die zum Ozonabbau beitragen-den Kältemittel R12, R22 und R502 einge-setzt – für Sonderanwendungen auchR114, R12B1, R13B1, R13 und R503.

Mit Ausnahme von R22 ist die Verwen-dung dieser Stoffe in Industrieländernnicht mehr erlaubt. Allerdings gilt in derEuropäischen Union auch für R22 ein vor-gezogener Ausstieg, der in mehreren Stu-fen umgesetzt wird (siehe ErläuterungenSeite 8). Der wesentliche Grund für diesesgegenüber internationalen Vereinbarungensehr frühe Verbot von R22 ist das, wennauch nur geringe, Ozonabbaupotenzial.Seit 2010 sind auch in weiteren LändernVerbotsverordnungen in Kraft, z. B. inUSA.

Daraus ergeben sich erhebliche Auswir-kungen auf die gesamte Kälte- und Klima-branche. BITZER ist deshalb die Selbst-verpflichtung eingegangen, bei Forschungund Entwicklung alternativer, umwelt-freundlicher Systemlösungen eine Vorrei-terrolle zu übernehmen.

Obwohl sich die chlorfreien HFKW-Kälte-mittel R134a, R404A, R507A, R407C,R410A sowie NH3 und verschiedene Koh-lenwasserstoffe bereits etabliert haben,stehen nach wie vor eine Reihe von Auf-gaben an. Dies u.a. auch mit Blick auf dieTreibhausproblematik. Ziel ist dabei einedeutliche Reduzierung von direkten Emis-sionen auf Grund von Kältemittelverlustenund von indirekten Emissionen durch be-sonders effiziente Anlagentechnik.

Dazu besteht eine enge Zusammenarbeitmit wissenschaftlichen Instituten, der Käl-temittel- und Ölindustrie, weiteren Kom-ponentenherstellern, Fachverbänden sowieinnovativen Kälte- und Klimafachbetrieben.

Eine große Anzahl von Entwicklungsaufga-ben konnte abgeschlossen werden; für dieverschiedenen Alternativ-Kältemittel stehteine umfassende Palette an optimierten Ver-dichtern und Apparaten zur Verfügung.

Neben den Entwicklungsprojekten unterstütztBITZER aktiv gesetzliche Vorhaben undSelbstverpflichtungen zum verantwortlichenUmgang mit Kältemitteln sowie zur Effizienz-steigerung von Systemen.

Der folgende Bericht befasst sich mit denpotenziellen Möglichkeiten eines kurz- bismittelfristigen Wechsels zu umweltfreund-lichen Kältemitteln in mittleren und größerengewerblichen Kälte- und Klimaanlagen. Eswird zudem über bereits vorliegende Erfah-rungen und die sich ergebenden Konse-quenzen in der Anlagentechnik berichtet.

" " "

Die Ergebnisse verschiedener Studien bele-gen, dass die im Gewerbebereich üblichenKompressions-Kälteanlagen bis zu einerNutztemperatur von etwa -40°C allen ande-ren Verfahren in der Wirtschaftlichkeit über-legen sind.

Allerdings kommt dabei auch der Auswahldes Alternativ-Kältemittels und der System-ausführung eine besondere Bedeutung zu.Neben der Forderung nach Substanzen ohneOzonabbaupotenzial (ODP = 0) wird insbe-sondere der Energiebedarf eines Systemsdurch seinen indirekten Beitrag zum Treib-hauseffekt als wesentliches Kri-terium ange-sehen. Hinzu kommt das direkte Treibhaus-potenzial (GWP) durch Kältemittel-Emission.

Zur qualifizierten Beurteilung eines Systemswurde daher eine Berechnungsmethode ent-wickelt, mit der die gesamte Auswirkung aufden Treibhauseffekt bewertet werden kann.

Dazu dient der sog. „TEWI-Kennwert“ (TotalEquivalent Warming Impact). Inzwischenwurde noch eine weitergehende Bewer-tungsmethode unter dem Gesichtspunkt der„Öko-Effizienz“ entwickelt. Hierbei werdensowohl ökologische (u.a. TEWI) als auchökonomische Kriterien berücksichtigt (wei-tere Ausführungen siehe Seite 6).

So ist es möglich, dass die umweltrelevanteBeurteilung von Kältemitteln – einschließlich derbetreffenden Systeme – je nach Einsatzortund Antriebsart unterschiedlich ausfallen kann.

Bei näherer Betrachtung der Substitute aufHFKW-Basis zeigt sich jedoch, dass dieMöglichkeiten zum Einsatz direkt vergleich-barer Einstoffkältemittel stark eingeschränktsind. Relativ günstig ist die Situation bei R12mit dem Ersatzstoff R134a sowie bei R502mit R404A und R507A. Kritischer zu bewer-ten sind Alternativen für die anderen FCKW-Kältemittel und auch für HFCKW wie z.B. R22.

Als direkte Substitute aus der HFKW-Reihebieten sich zunächst die Kältemittel R32,R125 und R143a an. Auf Grund ihrer Eigen-schaften können sie aber nur in Ausnahme-fällen als Reinstoffe eingesetzt werden.Wesentliche Kriterien in diesem Zusammen-hang sind Brennbarkeit, thermodynamischeEigenschaften und Treibhauseffekt. Weitbesser geeignet sind diese Stoffe als Be-standteil von Gemischen (Blends), bei denendie jeweiligen Eigenschaften – abhängig vomMischungsverhältnis – den Erfordernissenweitgehend angepasst werden können.

Neben den HFKW-Kältemitteln kommenebenfalls Ammoniak (NH3) und Kohlenwas-serstoffe als Substitute in Betracht. Beigewerblichen Anwendungen ist deren Ver-wendung jedoch durch strenge Sicherheits-auflagen eingeschränkt.

Kohlendioxid (CO2) gewinnt ebenfalls anBedeutung als Alternativ-Kältemittel undSekundärfluid. Auf Grund der spezifischenEigenschaften sind aber auch hiermit einerallgemeinen Anwendung Grenzen gesetzt.

Die umseitigen Abbildungen zeigen einestrukturelle Übersicht der Alternativkältemit-tel sowie eine Aufstellung der momentanangebotenen Reinstoffe oder Gemische. ImAnschluss daran werden die einzelnen The-menbereiche behandelt.

Wegen des zunehmenden Interesses an Sub-stituten für R114, R12B1, R13B1, R13 undR503 sind im vorliegenden Kältemittel-Reportauch deren Alternativen berücksichtigt.

Kältemitteldaten, Anwendungsbereiche undAngaben zu Schmierstoffen sind auf denSeiten 36 bis 39 zusammengefasst.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurdendie weniger oder nur regional bekanntenProdukte in diese Ausgabe nicht einbezo-gen, woraus allerdings keine Wertigkeitabzuleiten ist.

3

4

Alternativ-Kältemittel

Bisherige AlternativenKältemittel

ASHRAE Hersteller- Zusammensetzung DetaillierteKlassifizierung Bezeichnung (bei Gemischen) Informationen

R401A MP39 DuPont R22/152a/124 SeitenR401B MP66 DuPont R22/152a/124 16, 36...39R409A FX56 Arkema/Solvay R22/124/142b

R22 – – –R402A HP80 DuPont R22/125/290 SeitenR502 R402B HP81 DuPont R22/125/290 8, 15, 16,R403B – DuPont R22/218/290 36...39R408A FX10 Arkema R22/143a/125

R114 R124 – – SeitenR12B1 R142b – – 33, 36...39

R13B1R13 Alternativen siehe Abb. 3 „Chlorfreie HFKW-Kältemittel“R503

Übergangs- / Service-Kältemittel 09.10

Die gelisteten Service-Kältemittel gehören zur Gruppe der HFCKW oder enthalten diese Stoffe als Gemischkomponente. Sie unterliegen deshalb den gleichen gesetz-lichen Bestimmungen wie R22 (siehe Seite 8).

Abb. 2 Alternativen für FCKW-Kältemittel (Übergangs- / Service-Kältemittel)

Abb. 1 Strukturelle Einteilung der Alternativ-Kältemittel

3

31

Alternativ-Kältemittel – Übersicht

Einstoff-Kältemittel

z.B. R134aR125R32R143aR152a

HFKW– chlorfrei –

„Low GWP“Kältemittel

Gemische(Blends)

z.B. R404AR507AR407-SerieR410AR417AR422A/D


HFO-1234yfHFO-1234ze

Gemische(Blends)

HFO-1234yf/HFKW


z.B. NH3R290R1270R600aR170R744

Gemische(Blends)

z.B. R600a/R290

R290/R170

R723

halogenfrei


z.B. R22R123R124R142b

Gemische(Blends)

überwiegendR22-haltig

HFCKW/HFKW– teilweise chlorhaltig –

Mittel- und langfristigeKältemittel

Übergangs-/Service-Kältemitttel

R12(R500)

6

Erläuterungen zu Abb. 2 bis 4 Brennbar Größere Differenzen in Kälteleistung und AzeotropToxisch Drucklage zu bisherigem Kältmittel In Entwicklungs- und

Service-Kältemittel mit ODP = 0 Erprobungsphase

5

Chlorfreie (HFKW)-Kältemittel und -Gemische (langfristige Alternativen) 09.10


ASHRAE Hersteller- Formel DetaillierteKlassifizierung Bezeichnung Informationen

R12 R290/600a – C3H8/C4H10 Seiten(R500) R600a – C4H10 26, 36...39

R717 – NH3 SeitenR502 R290 – C3H8 24...28, 36...39R1270 – C3H6

R717 – NH3

R22R723 – NH3 + R-E170 SeitenR290 – C3H8 24...28, 36...39R1270 – C3H6

R114R600a – C4H10

SeitenR12B1 33, 36...39

R13B1 keine direkte Alternative verfügbar

R13R170 – C2H6

SeitenR503 34, 36...39

Diverse R744 – CO2Seiten29...32, 36...39

Halogenfreie Kältemittel (langfristige Alternativen) 09.10

Abb. 3 Alternativen für FCKW- und HFCKW-Kältemittel (chorfreie HFKW-Kältemittel und Gemische)

Abb. 4 Alternativen für FCKW- und HFCKW-Kältemittel (halogenfreie Kältemittel)

Alternativ-Kältemittel – Übersicht

3

4

3

3

51

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

2 6

2

2

1 2 5


ASHRAE Hersteller- Zusammensetzung DetaillierteKlassifizierung Bezeichnung (bei Gemischen) InformationenR134a

–R152a Seiten

R437A ISCEON MO49 Plus DuPont R125/134a/600/601 9...11, 16, 36...39

HFO-1234yf verschiedene Seite 11R404A verschiedene R143a/R125/R134a

R502/R22 R507A verschiedene R143a/125 Seiten

R422A ISCEON MO79 DuPont R125/134a/600a 17...19, 36...39

R407A Mexichem R32/125/134aR407C verschiedene R32/125/134aR407F Performax LT Honeywell R32/125/134aR410A verschiedene R32/125R417A ISCEON MO59 DuPont R125/134a/600 Seiten

R417B Solkane 22L Solvay R125/134a/600 18...23, 36...39

R422D ISCEON MO29 DuPont R125/134a/600aR427A Forane 427A Arkema R32/125/143a/134aR438A ISCEON MO99 DuPont R32/125/134a/600/601a

R114 R236fa – – SeitenR12B1 R227ea – – 33, 36...39

R410A verschiedene R32/125 SeitenR13B1 – ISCEON MO89 DuPont R125/218/290 34, 36...39

R13 R23 – – SeitenR503 R508A KLEA 508A Mexichem R23/116 34, 36...39R508B Suva 95 DuPont R23/116

1

R22

R12(R500)

4

6

6

Abb. 6 Vergleich von TEWI-Kennwerten (Beispiel)

Treibhauseffekt undTEWI-Kennwert

TE

WI x

103

Kältemittelfüllung [m]10kg 25kg 10kg 25kg

durch Rück-gewinnungs-

300

200

100

RL

RL

RL

RL

ENERGIE

ENERGIE

ENERGIE

ENERGIE

Vergleich bei10% höheremEnergiebedarf

LL

RL = Auswirkung

Verluste

durch Leckage-LL = Auswirkung

VerlusteLL LL

LL

+10%

+10%

Wie eingangs bereits erläutert wurde, isteine Berechnungsmethode entwickeltworden, mit der die Auswirkungen auf denTreibhauseffekt beim Betrieb von Kältean-lagen individuell beurteilt werden können(TEWI = Total Equivalent Warming Impact).

Alle halogenierten Kältemittel, einschließ-lich der chlorfreien HFKW, zählen zurKategorie der Treibhausgase. Eine Emis-sion dieser Stoffe trägt zum Treibhaus-effekt bei. Im Vergleich zu CO2 – dem inder Atmosphäre (neben Wasserdampf)überwiegenden Treibhausgas – sind dieAuswirkungen allerdings beträchtlich höher.So ist z.B. die Emission von 1 kg R134a(Zeithorizont 100 Jahre) etwa gleichzuset-zen mit 1300 kg CO2 (GWP100 = 1300).Schon aus diesem Sachverhalt wirdersichtlich, dass eine Verminderung vonKältemittelverlusten zu den wesentlichenAufgaben der Zukunft gehören muss.

Dem gegenüber ist der höchste Anteil amTreibhauseffekt einer Kälteanlage die indi-rekte CO2-Emission durch Energieerzeu-gung. Bedingt durch den hohen Anteilfossiler Brennstoffe in Kraftwerken liegtdie freigesetzte CO2-Masse – im euro- päischen Durchschnitt – bei etwa 0,6 kgpro kWh elektrischer Energie. Über diegesamte Lebensdauer einer Anlage resul-tiert daraus ein erheblicher Treibhauseffekt.

TEWI = TOTAL EQUIVALENT WARMING IMPACTTEWI = (GWP x L x n) + (GWP x m [ 1- ! recovery ] ) + ( n x Eannual x " )

Leckage Rückgewinnungsverluste

direkter Treibhauseffekt

Energiebedarf

indirekterTreibhauseffekt

GWP = TreibhauspotenzialL = Leckrate pro Jahrn = Betriebszeit der Anlagem = Anlagenfüllgewicht! recovery = Recycling-FactorEannual = Energiebedarf pro Jahr" = CO2-Emission pro kWh

[ CO2-Äquivalent ][ kg ][ Jahre ][ kg ]

[ kWh ](Energie-Mix)

BeispielNormalkühlung R134a

to -10 °Ctc +40 °Cm 10 kg // 25 kgL[10%] 1 kg // 2,5 kgQo 13,5 kW E 5 kW x 5000 h/a" 0,6 kg CO2/kWh! 0,75n 15 JahreGWP 1300 (CO2 = 1)

Zeithorizont 100 Jahre

Wegen des hohen Anteils an der Gesamt-bilanz besteht deshalb neben der Forde-rung nach Alternativkältemitteln mit gün-stiger (thermodynamischer) Energiebilanzauch ein verstärkter Zwang zum Einsatzhocheffizienter Verdichter und Zusatzag-gregate sowie optimierter Systemkompo-nenten.

Beim Vergleich verschiedener Verdichter-bauarten kann der Unterschied der indi-rekten CO2-Emission (durch Energiebe-darf) durchaus höher sein als die gesamtenAuswirkungen durch Kältemittelverluste.

Abb. 5 zeigt eine übliche Formel zur Be-rechnung des TEWI-Kennwertes, in derdie jeweiligen Einflussbereiche entspre-chend unterteilt sind.

Ergänzend dazu zeigt Abb. 6 anhand einesBeispiels (Normalkühlung mit R134a) die

Abb. 5 Berechnungsmethode für TEWI-Kennwerte

Umwelt-Aspekte

Verhältnisse von TEWI-Kennwerten beiunterschiedlichen Kältemittelfüllmengen(Leckverlusten) und Energiebedarfswerten.

In diesem Beispiel wird vereinfachend voneiner pauschalen Leckrate als Prozentsatzder Kältemittelfüllung ausgegangen.Bekanntlich streuen die effektiven Werte inder Praxis sehr stark, wobei das potenziel-le Risiko bei individuell gebauten und weitverzweigten Systemen besonders hoch ist.

Zur Reduzierung von Treibhausgas-Emissio-nen werden weltweit große Anstrengungenunternommen und auch teilweise schongesetzliche Verordnungen eingeleitet. Fürden Bereich der EU gilt seit Juli 2007 einegesetzliche "Verordnung über bestimmtefluorierte Treibhausgase" (Nr. 842/2006),die auch für Kälte- und Klimaanlagenstrenge Anforderungen festschreibt.

7

Umwelt-Aspekte

Abb. 8 Beispiel einer Bewertung der Öko-Effizienz

Öko-Effizienz beschreiben. Basis dafürist das Verhältnis von Wertschöpfung(wirtschaftlicher Wert eines Produktes) zuentstehenden Umweltlasten.

Bei diesem Bewertungssystem wird dergesamte Lebenszyklus eines Systemsbetrachtet und zwar hinsichtlich:

# ökologischer Leistungsfähigkeit nachdem Konzept der Ökobilanzmethode(Life Cycle Assessment) gem. ISO14040,

# ökonomischer Leistungsfähigkeit nachdem Ansatz zur Berechnung der Le-benszyklus-Kosten (Life Cycle CostAnalysis).

Dies bedeutet, dass sowohl die gesamtenUmweltlasten (u.a. direkte und indirekteEmissionen), wie auch Investitionssumme,Betriebs-, Entsorgungs- und Kapitalkos-ten in die Betrachtung einfließen.

Bei diesen Studien wurde auch bestätigt,dass eine Steigerung der Öko-Effizienzdurch Investitionen in optimierte Anlagen-technik (minimierte Betriebskosten) er-reicht werden kann. Dabei spielt auch dieAuswahl des Kältemittels und die damitverbundene Systemtechnologie eine ge-wichtige Rolle.

Die Öko-Effizienz kann in einer graphi-schen Darstellung illustriert werden (Bei-spiel, siehe Abb. 8). Dabei bilden die Er-gebnisse der Ökobilanz-Auswertung diex-Werte im Koordinatensystem, währenddie Resultate aus der Lebenzyklus-Kos-tenanalyse die zugehörigen y-Werte defi-nieren. Diese Darstellung macht dann deut-lich, dass ein System eine umso höhereÖko-Effizienz aufweist, je weiter es imrechten oberen Quadranten liegt – undumgekehrt weniger effizient im linken unte-ren Sektor.

Die im Koordinatensystem eingezeichne-ten Diagonalen repräsentieren Linien glei-cher Öko-Effizienz. Dies bedeutet, dassSysteme bzw. Prozesse, die sich sowohlin den Lebenszyklus-Kosten als auch inUmweltlasten unterscheiden, durchaus diegleiche Öko-Effizienz aufweisen können.

Öko-Effizienz

Wie zuvor beschrieben, berücksichtigteine Bewertung auf Basis des TEWI-Kennwerts die Auswirkungen auf denTreibhauseffekt während der Betriebs-periode einer Kälte-, Klima- oder Wär-mepumpenanlage. Die gesamten ökolo-gischen und ökonomischen Aspekte werden dabei aber nicht betrachtet.

Bei einer Bewertung von Technologien wieauch bei Entscheidungen über Investitio-nen haben jedoch neben ökologischenauch ökonomische Aspekte einen bedeu-tenden Stellenwert. So führt bei techni-schen Systemen die Reduzierung vonUmweltlasten häufig zu hohen Kosten,geringe Kosten gehen vielfach mit ver-stärkten Auswirkungen auf die Umwelteinher. Dabei stehen in Unternehmen häu-fig die Investitionen im Vordergrund, hin-gegen werden sie bei der Diskussion umdie Minimierung der Umweltprobleme oftvernachlässigt.

Mit Blick auf eine objektivere Beurteilungwurden in 2005 und 2010 Studien* vorge-stellt, die am Beispiel von Supermarktkäl-teanlagen ein Konzept zur Bewertung der

steig

ende Ö

ko-E

ffizie

nz

falle

nde Öko

-Effi

zienz

Ko

ste

nv

ort

eil

Umwe l t vo r t e i l

Abb. 7 Öko-Effizienz-Konzept

Lebenszykluskosten

(Investitions-, Betriebs-

und Kapitalkosten)

Öko-Effizienz-Konzept

berücksichtigt

Ökonomie und Ökologie

im Lebenszyklus-Ansatz

Öko-Effizienz-Konzept

Ökobilanz nach

ISO 1440 ff.

* Studie 2005: Erstellt von Solvay Management Sup-port GmbH und Solvay Fluor GmbH, Hannover inZusammenarbeit mit dem InformationszentrumWärmepumpen und Kältetechnik (IZW), Hannover.Studie 2010: Erstellt von SKM ENVIROS, UK im Auf-trag und in Zusammenarbeit mit EPEE (EuropeanPartnership for Energy and Environment). Beide Arbeiten wurden von einem Expertenkreis ausder Kälteindustrie beratend unterstützt.

8

R22 als Übergangs-kältemittel

Abb. 9 R12/R22 – Vergleich der Druckgastemperatur eines halbhermetischen Verdichters

Abb. 10 R12/R22/ R502 – Vergleich der Drucklagen

auch Abschnitt „Kältemittelgemische“ab Seite 13).

Trotz der allgemein günstigen Eigenschaf-ten unterliegt R22 wegen seines (wennauch geringen) Ozonabbau-Potenzialsbereits in verschiedenen Regionen Be-schränkungen*, die den Einsatz diesesKältemittels für Neuanlagen und Serviceregulieren.

Auch hinsichtlich Komponenten und Anla-gentechnik ergeben sich eine Reihe vonBesonderheiten; dies gilt besonders beiUmrüstung bestehender Anlagen. Im Ver-gleich zu R12 hat R22 etwa 55% höherevolumetrische Kälteleistung und Druckla-gen. Kritisch zu bewerten ist auch diedeutlich höhere Druckgastemperatur ge-genüber R12 (Abb. 9) und R502.

Ähnliche Verhältnisse in Bezug auf ther-mische Belastung ergeben sich im Ver-gleich zu den HFKW-Kältemitteln R134a,R404A/R507A (Seiten 9 und 17).

Resultierende Auslegungskriterien

Auf Grund ihrer hohen Druckgastemperatursind Tiefkühlanlagen besonders problema-tisch (thermische Stabilität von Öl und Käl-temittel, Gefahr von Säurebildung und Cu-Plattierung). Es sind deshalb spezielle Maß-nahmen zu treffen wie zweistufige Verdich-tung, kontrollierte Kältemitteleinspritzung,Zusatzkühlung, Überwachung der Druckgas-temperatur, Einschränkung der Sauggas-überhitzung und sehr sorgfältige Montage.

* In der Bundesrepublik Deutschland und Dänemarkseit 01.01.2000, in Schweden seit 1998 nicht mehrfür Neuanlagen erlaubt.Für die anderen EU-Mitgliedstaaten gelten seit01.01.2001 ebenfalls Einschränkungen. Die be-treffenden Maßnahmen sind in der 2009 überarbei-teten Verordnung 1005/2009 der EU-Kommissionüber Ozon zerstörende Substanzen definiert. DieseVerordnung regelt auch die Verwendung von R22beim Service für die gesamte EU.Seit 2010 gelten Verbotsverordnungen auch in wei-teren Ländern, u.a. in USA. Informationen zur weltweiten Ausstiegsregelung fürR22 sind auch unter www.arap.org/docs/regs.htmlzu finden.

Dru

ckga

stem

pera

tur

[˚C]

Verdampfung [˚C]

80

170

-40 0 10-30 -20 -10

90

160

150R12tc +60

R22tc +60tc +50

tc +50

tc +40

tc +40

100

110

120

130

140

Dru

ck [

bar]

Temperatur [˚C]

1

25

0 60

6

15

4

10

20

-40 -20

R12

R22

R502

2

4020

Obwohl sich die chlorfreien ErsatzstoffeR134a und R404A/R507A (Abb. 1 und 3)schon in größerem Umfang als Substitutefür R12 und R502 durchgesetzt haben,wird R22 international noch in vielenBereichen – sowohl für Neuinstallationenals auch zur Umrüstung bestehenderAnlagen – verwendet.

Gründe liegen in den relativ niedrigenInvestitionskosten, besonders im Ver-gleich zu R134a-Anlagen, aber auch imgroßen Anwendungsbereich, günstigenthermodynamischen Eigenschaften undniedrigem Energieverbrauch. Hinzu kommtdie weltweite Verfügbarkeit von R22 undden dafür erprobten Komponenten, diebei chlorfreien Alternativen noch nichtüberall gewährleistet ist.

Letzteres gilt auch für die „zeotropen“Service-Kältemittel (Abb. 1 und 2). Sieenthalten zudem überwiegend R22 undsind demzufolge nur sinnvoll, wo reinesR22 auf Grund der hohen Betriebstempe-raturen nicht beherrschbar ist. Im Umgangmit diesen Gemischen ist eine besondereHandhabung zu berücksichtigen (siehe

Für R22 steht von BITZER ein breitesAngebot zur Verfügung:# Offene und halbhermetische Hubkol-

benverdichter von 0.37 bis 74 kWnomineller Antriebsleistung mit spe-ziellen Ausführungsvarianten für Tief-kühlanwendung

# Offene und halbhermetische Schrau-benverdichter von 15 bis 220 kWnomineller Antriebsleistung (Parallel-verbund bis 620 kW) für ein- undzweistufige Systeme.

HFCKW-Kältemittel

Chlorfreie HFKW-Kältemittel

9

R134a als Ersatzstoff fürR12 und R22

Abb. 11/1 R134a/R12 – Vergleich der Leistungsdaten eines halbhermetischen Verdichters

Abb. 11/2 R134a/R22 – Vergleich der Leistungsdaten eines halbhermetischen Verdichters

Verh

ältn

is R

134a

zu

R12

(=10

0%)

Verdampfung [˚C]

80

110

0 10

90

100

COP

Qo

85

95

105

-30 -20 -10

t c 5

0˚C

tc 50˚C

tc 40˚C

toh 20˚C

t c 40˚C

Verh

ältn

is R

134a

zu

R22

(=10

0%)

Verdampfung [˚C]

50

110

10 20

70

COP

Qo

60

80

100

-20 -10 0

toh 20˚C

90

tc 40˚C

tc 50˚C

tc 50˚C

tc 40˚C

R134a war das erste in breiterem Umfangerprobte (chlorfreie / ODP = 0) HFKW-Kälte-mittel. Es wird inzwischen weltweit in vie-len Kälte- und Klimaanlagen mit gutenBetriebs-Erfahrungen eingesetzt. Nebender Verwendung als Reinstoff kommtR134a auch in einer Reihe von Gemischenals Komponente zum Einsatz (siehe auch„Kältemittelgemische“ ab Seite 13).

R134a hat ähnliche thermodynamischeEigenschaften wie R12:

Kälteleistung, Energiebedarf, Temperatur-verhalten und Drucklagen sind zumindestim Klima- und Normalkühlbereich ver-gleichbar. Damit läßt sich dieses Kältemittelfür die meisten bisherigen R12-Anwen-dungen als Alternative verwenden.

Für verschiedene Anwendungsfälle wirdR134a sogar als R22-Substitut bevorzugt;ein wesentlicher Grund sind die Beschrän-kungen des Einsatzes von R22 in Neuanla-gen. Allerdings bedingt die geringere vo-lumetrische Kälteleistung von R134a imVergleich zu R22 (Abb. 11/2) ein größeresFördervolumen. Außerdem sind Einschrän-kungen in der Anwendung bei tieferen Ver-

dampfungstemperaturen zu berücksichtigen.Durch umfangreiche Messungen konntejedoch belegt werden, dass die Leistungs-werte von R134a in weiten Bereichen hö-her sind als die von der Theorie gestütz-ten Voraussagen erwarten ließen. Zudemsind die Betriebstemperaturen (Druckgas,Öl) der Kältemittelverdichter sogar niedri-ger als mit R12 und liegen wesentlichunterhalb der R22-Werte. Damit ergebensich besonders weitreichende Anwen-dungsmöglichkeiten bei Klima- und Nor-malkühlanlagen. Gute Wärmeübertra-gungswerte – im Gegensatz zu zeotropenGemischen – in Verdampfern und Verflüs-sigern begünstigen dabei einen besonderswirtschaftlichen Einsatz.

Schmierstoffe für R134a und andereHFKWs

Als problematisch hat sich mit R134a (undden anderen im folgenden behandeltenHFKWs) die Frage des Schmiermittelsherausgestellt. Bisher übliche Mineral-und Synthetiköle sind mit R134a nichtmischbar (löslich) und werden deshalb imKältekreislauf nur unzureichend transportiert. Nicht mischbare Öle können sich in denWärmeaustauschern ablagern und den Wär-meübergang so stark behindern, dass einBetrieb der Anlage nicht mehr möglich ist.Neue Schmierstoffe mit entsprechender

Löslichkeit wurden entwickelt und sindinzwischen schon seit vielen Jahren impraktischen Einsatz. Es handelt sich umSchmierstoffe auf der Basis von Polyol-Ester (POE) und Poly-Alkylen-Glykol (PAG).

Sie besitzen ähnliche Schmiereigenschaf-ten wie die bisher üblichen Öle, sind aberin Abhängigkeit von der Kältemittellöslich-keit mehr oder weniger hygroskopisch.Dies bedingt besondere Sorgfalt bei Her-stellung (u.a. Trocknung), Transport, Lage-rung und beim Befüllen, damit chemischeReaktionen in der Anlage – wie Hydrolyse –vermieden werden.

Öle auf PAG-Basis sind hinsichtlich derWasseraufnahme besonders kritisch.Außerdem haben sie eine relativ niedrigeelektrische Durchschlagsfestigkeit und sindschon deshalb weniger für halbhermeti-sche und hermetische Verdichter geeignet.Sie werden deshalb in erster Linie beiPKW-Klimaanlagen mit offenen Verdichterneingesetzt, wo besondere Anforderungenan die Schmierung und beste Löslichkeitwegen einer hohen Ölzirkulationsrate ge-fordert sind. Um Kupferplattierung zu ver-meiden, werden in diesen Systemen auchkeine Buntmetalle verwendet.Die übrige Kälteindustrie bevorzugt bisherEsteröle, mit denen schon umfangreicheErfahrungen vorliegen. Die Ergebnissesind überwiegend positiv, wenn der Was-

10

Chlorfreie HFKW-Kältemittel

Abb. 12 R134a/R12/R22 – Vergleich der Drucklagen

Dru

ck [

bar]

Temperatur [˚C]

1

25

0 60

6

15

4

10

20

-40 -20

R12

R22

R134a

2

4020

Ergänzende BITZER-Informationenzum Einsatz von R134a(auch unter http://www.bitzer.de)

# Halbhermetische Hubkolbenver-dichter KP-103 „ECOLINE Serie“

# Technische Information KT-620„HFKW-Kältemittel R134a“

# Technische Information KT-510„Polyolester-Öle für Hubkolbenver-dichter“

# Sonderausgabe 09.2004 „Eine neue Generation optimierterKompakt-Schraubenverdichter für R134a“

seranteil im Öl etwa 100 ppm nicht we-sentlich übersteigt.

Verdichter für fabrikmäßig gefertigte Kli-mageräte und Kühlsätze werden inzwi-schen auch vermehrt mit Polyvinyl-Ether-Ölen (PVE) befüllt. Sie sind zwar hygros-kopischer als POE, jedoch sehr hydrolyse-beständig, thermisch und chemisch stabil,besitzen gute Schmiereigenschaften undhohe elektrische Durchschlagfestigkeit. ImGegensatz zu POE neigen sie weniger zurBildung von Metallseifen und bieten damitmehr Sicherheit gegen Verstopfung vonKapillaren.

Resultierende Auslegungs- und Ausführungskriterien

Für R134a sind entsprechend geeigneteVerdichter – mit spezieller Ölfüllung – undAnlagenkomponenten erforderlich. Mit Esterölen haben sich die in FCKW-Anlagen üblichen Metallwerkstoffe eben-falls bewährt; Elastomere müssen teilweiseden geänderten Verhältnissen angepasstwerden. Dies gilt insbesondere auch beiEinsatz von Schlauchleitungen, die äußersthohe Anforderungen hinsichtlich Rest-feuchte und Permeabilität erfüllen müssen.

Die Anlagen sind besonders sorgfältig zutrocknen und das Befüllen oder der Wechsel

des Schmieröls muss ebenfalls mit äußersterSorgfalt erfolgen. Zudem sind vergleichs-weise große Trocknerkapazitäten vorzuse-hen, die auch auf die geringere Molekül-größe von R134a abgestimmt sein müssen.

Inzwischen liegen langjährige sehr posi-tive Erfahrungen mit R134a und Ester-ölen vor. BITZER bietet für dieses Käl-temittel ein unvergleichlich breitesProgramm von Hubkolben-, Schrauben-und Scrollverdichtern an.

Umstellung bestehender R12-Anlagen

Dieses Thema wurde anfangs sehr kontro-vers diskutiert, verschiedene Umrüstme-thoden wurden propagiert und angewandt.Heute besteht weitgehende Einigkeit übertechnisch und ebenfalls wirtschaftlich ver-tretbare Lösungen.Hierbei erweisen sich auch die Eigen-schaften von Esterölen als vorteilhaft. Siekönnen unter gewissen Voraussetzungenmit (H)FCKW-Kältemitteln betrieben wer-den, sind mit Mineralölen mischbar undtolerieren in R134a-Anlagen auch Anteilean Chlor bis zu einigen hundert ppm.

Allerdings ist dabei die Restfeuchte vonenormem Einfluss. Es besteht deshalb diegrundsätzliche Forderung nach hochgradi-

gem Evakuieren (Absaugen von Restchlorund Trocknung) und Einsatz groß dimen-sionierter Trockner. Zweifelhafte Erfahrun-gen gibt es mit Systemen, deren chemi-sche Stabilität bereits bei R12-Betrieb un-genügend ist (schlechte Wartung, geringeTrocknerkapazität, hohe thermische Belas-tung). Hier kommt es vielfach zu verstärkterAblagerung chlorhaltiger Ölzersetzungspro-dukte, die dann unter Einwirkung der hoch-polaren Mischung aus Esteröl und R134aabgelöst werden und in Verdichter und Re-gelgeräte gelangen. Schon deshalb sollteeine Umrüstung auf Systeme beschränktbleiben, die sich in gutem Zustand befinden.

Beschränkungen von R134a inKfz-Klimaanlagen (MAC)

Eine EU-Richtlinie zu "Emissionen aus Kli-maanlagen in Kraftfahrzeugen" sieht künf-tig ein Verwendungsverbot von R134a inNeuanlagen vor. Verschiedene Alternativ-Technologien sind bereits in Entwicklung.Siehe hierzu Erläuterungen auf Seiten 12und 31.

11

Chlorfreie (HFKW)-Kältemittel

Das bevorstehende Verwendungsverbotvon R134a in Kfz-Klimaanlagen innerhalbder EU hat eine Reihe von Forschungs-projekten iniziiert. Neben CO2-Technologie(Seite 31) wurden inzwischen Kältemittelmit sehr geringen GWP-Werten und ähn-lichen thermodynamischen Eigenschaftenwie R134a entwickelt.

Anfang 2006 wurden zunächst zwei Käl-temittel-Gemische unter den Bezeichnun-gen "Blend H" (Honeywell) und "DP-1"(DuPont) vorgestellt. INEOS Fluor folgtemit einer weiteren Variante unter demHandelsnamen AC-1. Bei allen Kältemit-teln handelte es sich im weitesten Sinneum Gemische aus verschiedenen fluorier-ten Molekülen.

Während der Entwicklungs- und Testpha-se wurde offensichtlich, dass nicht alleAkzeptanzkriterien erfüllt werden konnten.Weitere Untersuchungen mit diesen Ge-mischen wurden deshalb eingestellt. DuPont und Honeywell bündelten daraufhin ihre Forschungs- und Entwicklungsak-tivitäten in einem Joint Venture mit Fokusauf 2,3,3,3-Tetrafluorpropen (CF3CF=CH2).Dieses Kältemittel mit der BezeichnungHFO-1234yf gehört zur Gruppe der Fluor-Olefine mit chemischer Doppelbindung.

Das Treibhauspotential ist außerordentlichgering (GWP100 = 4). Dies hängt mit derraschen Zersetzung in der Atmosphärezusammen. Hieraus ergeben sich aller-dings gewisse Bedenken hinsichtlich derLangzeitstabilität im Kältekreislauf unterrealen Bedingungen. Umfangreiche Testshaben jedoch gezeigt, dass die für Kfz-Klimaanlagen geforderte Stabilität erfülltwird.

Basierend auf Messungen nach ASTM 681ist HFO-1234yf mäßig entflammbar, dabeiliegt die erforderliche Zündenergie we-sentlich höher als z.B. bei R152a. Wegenseiner geringen Flammgeschwindigkeitund der hohen Zündenergie ist eine Ein-stufung unter der neuen Sicherheitsgrup-pe "A2L" nach ISO 817 zu erwarten. Inumfangreichen Testreihen konnte inzwi-schen ermittelt werden, dass die mäßige

Alternativen zu R134a

Bei Kfz-Klimaanlagen mit offenen Ver-dichtern und Schlauchverbindungen imKältekreislauf ist das Leckagerisiko un-gleich höher als bei stationären Systemen.Mit Blick auf die Reduzierung direkterEmissionen in diesem Anwendungsbe-reich wurde deshalb eine EU-Richtlinie(2006/40/EG) verabschiedet. Darin wer-den u.a. im Rahmen von Typgenehmigun-gen neuer Fahrzeuge ab 2011 nur nochKältemittel mit einem GWP < 150 zuge-lassen. Damit scheidet das in diesen Anlagen bisher verwendete R134a (GWP = 1300) aus.

Inzwischen sind Alternativ-Kältemittelsowie neue Technologien in Entwicklungund Erprobung. In diesem Zusammenhangwurde auch der Einsatz von R152a näheruntersucht. Seit einiger Zeit stehen aller-dings speziell adaptierte CO2-Anlagen(siehe Seite 31) sowie Systemlösungenmit sog. „Low GWP“ Kältemitteln im Vor-dergrund. Letztere werden im Folgendenbehandelt.

„Low GWP“ KältemittelHFO-1234yf und 1234ze

R152a – eine Alternativezu R134a (?)

R152a ist im Vergleich zu R134a hinsicht-lich volumetrischer Kälteleistung (ca. -5%),Drucklagen (ca. -10%) und Energie-Effi-zienz sehr ähnlich. Massenstrom, Dampf-dichte und damit auch der Druckabfallsind sogar günstiger (ca. -40%).

R152a wird seit vielen Jahren als Kompo-nente in Gemischen, aber bisher nicht alsEinstoff-Kältemittel eingesetzt. Besondersvorteilhaft ist das äußerst geringe Treib-hauspotenzial (GWP = 140).

R152a ist jedoch brennbar – bedingtdurch den geringen Fluor-Anteil – und inSicherheitsgruppe A2 eingestuft. Damitgelten erhöhte Sicherheitsanforderungen,die individuelle konstruktive Lösungenund Absicherungsmaßnahmen sowie ent-sprechende Risikoanalysen erfordern.

Aus diesem Grund ist der Einsatz vonR152a in Fahrzeug-Klimaanlagen eherunwahrscheinlich.

Chlorfreie (HFKW)-Kältemittel

12

erprobt. Weitere Informationen hierzusiehe Seite 23, „HFO/HFKW-Gemische”.

Aus der Gruppe der Fluor-Olefine stehteine weitere Substanz mit der Bezeich-nung HFO-1234ze zur Verfügung, die bis-her vorwiegend als Treibmittel für PU-Schaum und Aerosol verwendet wurde.HFO-1234ze unterscheidet sich von HFO-1234yf durch eine andere Molekülstruk-tur. Die thermodynamischen Eigenschaf-ten bieten auch günstige Voraussetzungenzur Verwendung als Kältemittel. Das Treib-hauspotenzial ist ebenfalls sehr gering(GWP = 6).

Volumetrische Kälteleistung und Druckla-gen liegen im Vergleich zu HFO-1234yfbei ca. 75%. Damit ist HFO-1234ze u.a.ein potenzieller Kandidat für Hochtempe-ratur-Systeme. Weitere Informationen hier-zu siehe Seite 34, „Sonderanwendungen”.

Entflammbarkeit für Kfz-Klimaanwendun-gen kein besonderes Hindernis darstellt.

Toxizitätsuntersuchungen zeigen sehrpositive Ergebnisse. Gleiches gilt für Ver-träglichkeitstests mit den im Kältekreislaufverwendeten Kunststoff- und Elastomer-materialen sowie Schmierstoffen.

Die bisher in Labor- und Feldversuchengewonnenen Betriebserfahrungen gebenAnlass für eine positive Bewertung, insbe-sondere mit Blick auf das Leistungs- undEffizienzverhalten. Kälteleistung und Leis-tungszahl (COP) liegen bei den üblichenAnwendungsbereichen des Kfz-Klimabe-triebs innerhalb einer Bandbreite von etwa5% im Vergleich zu R134a. Bei entspre-chender Anpassung des Systems kanndeshalb dieselbe Leistung und Effizienzwie mit R134a erreicht werden.

Kritische Temperatur und Drucklagen sindebenfalls ähnlich, Dampfdichten und Mas-senstrom etwa 20% höher. Die Druckgas-temperatur ist bis zu 10 K niedriger.

Mit Blick auf die relativ einfache Umstel-lung von Kfz-Klimaanlagen ist es deshalbwahrscheinlich, dass sich diese Techno-logie gegenüber den im Wettbewerb ste-henden CO2-Systemen durchsetzen wird.

Der Einsatz von HFO-1234yf in anderenmobilen Klimaanwendungen wird eben-falls in Erwägung gezogen, ebenso in sta-tionären Klima- und Wärmepumpensys-temen. Zu berücksichtigen sind dabeijedoch die Füllmengenbegrenzungen fürA2(L) Kältemittel (z.B. EN378), die denEinsatz entsprechend einschränken.Hinzu kommen noch Fragen zur Langzeit-stabilität im Kältekreislauf bei den übli-cherweise sehr langen Lebenszyklen sol-cher Anlagen.

Für Anwendungen, die den Betrieb mitKältemitteln der Sicherheitsgruppe A1(weder brennbar noch toxisch) erfordern,wurden bereits R134a-Alternativen mitgeringerem GWP auf Basis vonHFO/HFKW-Gemischen entwickelt. Siewerden seit einiger Zeit in realen Anlagen

13

Kältemittelgemische (Blends)

Kältemittelgemische(Blends)

mitteln – und „Zeotropen“ – mit „gleiten-der“ Phasenänderung – unterschieden(siehe auch nächster Abschnitt). Die Ent-wicklung von „Zeotropen“ konzentriertesich hauptsächlich auf Sonderanwendun-gen in Tieftemperatur- und Wärmepum-pensystemen.Real ausgeführte Anlagen blieben abereher die Ausnahme. Eine etwas häufigerePraxis war allerdings schon früher dieZumischung von R12 zu R22 zur Verbes-serung des Ölrückflusses und zur Redu-zierung der Druckgastemperatur bei höhe-ren Druckverhältnissen. Üblich war auchdie Zugabe von R22 in R12-Systeme zurErhöhung der Leistung oder von Kohlen-wasserstoffen im Extra-Tieftemperaturbe-reich zum verbesserten Öltransport.

Diese Möglichkeit zur spezifischen „For-mulierung“ bestimmter Eigenschaften warwesentlicher Anlass für die Entwicklungeiner neuen Generation von Gemischen.

Wie bereits zuvor erwähnt wurde, gibt esin der Reihe chlorfreier Einstoffkältemittelkeine direkt vergleichbaren Alternativen zu R502 und R22. Eine ähnliche Situationbesteht für R13B1 und R503.Falls aber Brennbarkeit nicht akzeptabelund toxikologische Unbedenklichkeit ver-langt ist, zudem Anwendungsbereiche,Kälteleistung, Leistungzahl, Druck- undTemperaturbedingungen vergleichbar seinsollen, bleiben als längerfristige Substitutefür viele Anwendungen nur Gemische.

Vorrangig waren zunächst Ersatzstoffe fürR502, das in größerem Umfang verwendetwurde und bereits in allen Industrielän-dern von Restriktionen betroffen ist. Dienachfolgenden Ausführungen befassensich deshalb zunächst mit den etabliertenAlternativen für dieses Kältemittel und denErgebnissen der umfangreichen Anwen-dungen in realen Anlagen.

Ein weiterer Schwerpunkt sind Alternati-ven für R22.

BITZER kann auf weitreichende Erfah-rungen mit der neuen Gemisch-Gene-ration verweisen. Bereits sehr frühwurde mit Labor- und Feldversuchenbegonnen und damit die Grundlage füreine Optimierung der Mischungsver-hältnisse und Erprobung geeigneterSchmierstoffe geschaffen. Auf dieserGrundlage konnte dann schon Anfang

‘91 eine größere Supermarktanlage –mit 4 Halbhermetiks, Typ 4G-20.2, imParallelverbund – in Betrieb genommen werden. Die Anwendung dieser Gemi-sche bei unterschiedlichsten System-varianten ist bereits seit Jahren Standder Technik – mit allgemein gutenErfahrungen.

Allgemeine Eigenschaften zeotroperGemische

Im Gegensatz zu azeotropen Gemischen(z.B. R502, R507A), die sich beim Siede-und Verflüssigungsvorgang wie Einstoff-kältemittel verhalten (konstante Tempera-tur), erfolgt die Phasenänderung bei zeotropen Fluiden „gleitend“ über ein gewisses Temperaturband.

Dieser „Temperaturgleit“ kann mehr oderweniger stark ausgeprägt sein; er ist we-sentlich abhängig von den Siedepunktsla-gen und den prozentualen Anteilen derEinzelkomponenten. Abhängig von deneffektiven „Gleit“-Werten werden auchergänzende Begriffsdefinitionen, wie z. B.semi-azeotrop (nahe-azeotrop) – unterhalbvon 1 K Bandbreite –, verwendet.

In der Praxis bedeutet dieses Verhalteneinen geringfügigen Temperaturanstiegbereits in der Verdampfungsphase undeine Temperaturabnahme bei der Verflüssi-gung. Anders ausgedrückt: Bezogen aufeinen bestimmten Druckzustand sind dieresultierenden Sättigungstemperaturen inFlüssigkeits- und Dampfphase unter-schiedlich (Abb. 13).

Um eine weitgehende Vergleichbarkeit mitEinstoffkältemitteln zu ermöglichen, wur-den Verdampfungs- und Verflüssigungs-temperatur bisher häufig als Mittelwertedefiniert. Die Konsequenz dabei istjedoch, dass gemessene Unterkühlungs-und Überhitzungszustände – bezogen aufdie Mittelwerte – nicht real sind. Die effek-tive Differenz, basierend auf Sattdampf-bzw. Siedetemperatur, ist jeweils geringer.Diese Zusammenhänge sind für die Beur-teilung der Mindestüberhitzung am Ver-dichtereintritt (üblicherweise 5 bis 7 K)und den Zustand der Flüssigkeit nachdem Sammler (Dampfblasen) von wesent-licher Bedeutung.

Kältemittel auf Gemischbasis wurden ent-wickelt, um sowohl für Servicezwecke alsauch für Neuanlagen, in ihren Eigenschaf-ten direkt vergleichbare Alternativen zu den bisher verwendeten Substanzen anzubieten.

Obwohl sich die Situation etwas bereinigthat, ist die Angebotspalette noch sehrumfangreich.

Grundsätzlich muss zwischen zwei Kate-gorien unterschieden werden:

1. Übergangs- bzw. Service-Gemische,die meistens das HFCKW R22 als we-sentlichen Bestandteil enthalten. Siesind primär – im Hinblick auf die Ein-schränkungen bei R502, R12 und ande-ren FCKW – als Service-Kältemittel für ältere Anlagen vorgesehen.Entsprechende Produkte werden vonverschiedenen Herstellern angeboten,praktische Erfahrungen über notwendigeSchritte bei Umrüstprozeduren sind vor-handen.Für den Einsatz dieser Gemische geltenallerdings die gleichen gesetzlichen Be-stimmungen und Ausstiegsregelungenwie für R22 (siehe Seite 8).

2. Chlorfreie HFKW-Gemische als langfris-tige Ersatzstoffe für die Kältemittel R502,R22, R13B1 und R503. InsbesondereR404A, R507A, R407C und R410A werden bereits in größerem Umfang eingesetzt.Eine Gruppe dieser HFKW-Gemischeenthält auch Zusätze an Kohlenwasser-stoffen. Letztere haben eine verbesserteLöslichkeit mit Schmierstoffen undermöglichen unter bestimmten Voraus-setzungen den Einsatz konventionellerÖle. Damit ergibt sich vielfach die Mög-lichkeit zur Umstellung bestehender(H)FCKW-Anlagen auf chlorfreie Kälte-mittel (ODP = 0) ohne die Notwendigkeiteines Ölwechsels.

Mehrstoffgemische haben bereits eine län-gere Tradition in der Kältetechnik. Dabeiwird zwischen sog. „Azeotropen“ (z.B.R502, R507A) – mit einem thermodynami-schen Verhalten ähnlich den Einstoffkälte-

14

Kältemittelgemische (Blends)

Abb. 13 Verhältnisse bei Verdampfung und Verflüssigung zeotroper Gemische Abb. 14 Drucklagen von Gemischen im Vergleich zu R502

Dru

ck

Enthalpie

TemperaturgleitMittlere VerflüssigungstemperaturMittlere Verdampfungstemperatur

#tgtcmtom

CC1

DD1

A A1

B B1

Isothermen

#tg

#tgtcm

tom

Sied

elini

e

Sat

tdam

pf-L

inie

Dru

ck [

bar]

Temperatur [˚C]

-40 40 60-20 0 20

25

15

1

20

10

2

4

6

R404A

R502R403B

Im Hinblick auf eine eindeutig nachvoll-ziehbare Definition der Verdichterleistungwerden international die überarbeitetenNormen EN 12900 und ARI540 angewandt.Die Verdampfungs- und Verflüssigungs-temperaturen sind dort jeweils auf Satt-dampfzustände bezogen.

# Verdampfungstemperatur entsprechendPunkt A (Abb.13)

# Verflüssigungstemperatur entsprechendPunkt B (Abb.13)

In diesem Fall wird auch die Bewertungder effektiven Überhitzungs- und Unter-kühlungstemperatur einfacher.

Es muss allerdings berücksichtigt werden,dass die tatsächliche Kälteleistung höherist als eine auf dieser Basis dokumentierteVerdichterleistung. Dies ist u.a. bedingtdurch eine effektiv niedrigere Temperaturam Verdampfereintritt.

Eine weitere Eigenschaft zeotroper Kälte-mittel ist die potenzielle Konzentrations-verschiebung bei Leckagen. Kältemittel-austritt in der reinen Gas- und Flüssig-keitsphase ist weitgehend unkritisch. Weit bedeutsamer sind Leckagen im

Zweiphasengebiet – z. B. nach dem Ex-pansionsventil, im Verdampfer, Verflüssi-ger und Flüssigkeitssammler. Es ist des-halb zu empfehlen, in diesen Bereichenmöglichst Löt- oder Schweißverbindungenvorzusehen.

Erweiterte Untersuchungen haben inzwi-schen gezeigt, dass Leckagen wenigergravierende Auswirkungen haben als bis-her angenommen wurde. Sicher ist jeden-falls, dass sich bei den nachfolgend näherbehandelten Stoffen weder innerhalb nochaußerhalb des Kreislaufes brennbare Ge-mische entwickeln können. Allein durchNachfüllen mit dem Originalkältemittelsind bei Kältemitteln mit geringem Tempe-raturgleit weitgend ähnliche Betriebsbe-dingungen und Leistungswerte zu errei-chen wie zuvor.

Für den praktischen Umgang mit Gemi-schen gibt es noch weitere Richtlinienbzw. Empfehlungen:

# Das System muss immer mit Flüssigkeitbefüllt werden. Bei gasförmiger Entnah-me aus dem Füllzylinder können Kon-zentrationsverschiebungen auftreten.

# Nachdem alle Gemische mindestenseine brennbare Komponente enthalten,ist Luftzutritt ins System zu vermeiden.Unter Überdruck und beim Evakuierenkann bei zu hohem Luftanteil eine kriti-sche Verschiebung der Zündgrenze ent-stehen.

# Der Einsatz von Gemischen mit deutlichausgeprägtem Temperaturgleit ist inAnlagen mit überflutetem Verdampfernicht zu empfehlen. Es sind starke Kon-zentrationsverschiebungen im Verdamp-fer und damit auch im zirkulierendenMassenstrom zu erwarten.

15

Service-Gemische

Bedingt durch die fortschreitende Sanie-rung von älteren Anlagen ist die Bedeu-tung dieser Kältemittel inzwischen deut-lich zurückgegangen. Teilweise wurdebereits die Produktion eingestellt. AusGründen der Entwicklungsgeschichte vonService-Gemischen werden diese Kälte-mittel jedoch im vorliegenden Reportweiterhin behandelt.

Diese Kältemittel gehören zur Gruppe der„Service-Gemische“ und werden unterden Bezeichnungen R402A/R402B*(HP80/HP81 – DuPont), R403A/R403B*(vormals ISCEON 69S/69L) und R408A*(„Forane“ FX10 – Arkema) angeboten.

Wesentlicher Bestandteil ist jeweils R22,dessen hohe Druckgastemperatur durchZugabe von chlorfreien Stoffen mit sehrniedrigem Adiabatenexponent (z.B. R125,R143a, R218) deutlich abgesenkt wird.Charakteristisches Merkmal dieser Zusät-ze ist ein besonders hoher Massenstrom,der in der Mischung eine weitgehendeAngleichung an die Verhältnisse von R502ermöglicht.

Zum Zwecke einer besseren Löslichkeitmit herkömmlichen Schmierstoffen wirdbei R402A/B und R403A/B noch R290

(Propan) als dritte Komponente verwen-det – Kohlenwasserstoffe haben ein be-sonders gutes Löslichkeitsverhalten.

Bei diesen beiden Gemischen werdenauch jeweils unterschiedliche Variantenangeboten. Bei Optimierung der Gemisch-verhältnisse hinsichtlich identischer Kälte-leistung wie R502 ergaben die Labormes-sungen eine noch deutlich überhöhteDruckgastemperatur (Abb. 15), die vorallem bei großer Sauggasüberhitzung (z. B. Supermarktanwendung) Einschrän-kungen im Einsatzbereich zur Folge hat.

Andererseits bewirkt ein höherer Anteilvon R125 bzw. R218 – zur Absenkung derDruckgastemperatur auf das Niveau vonR502 – etwas höhere Kälteleistung (Abb.16).

Hinsichtlich der Materialverträglichkeitsind die Gemische ähnlich zu beurteilenwie (H)FCKW-Kältemittel. Auch die Ver-wendung konventioneller Kältemaschinen-öle (teil- oder vollsynthetisch) ist wegendes R22- und R290-Anteils möglich.

Neben diesen positiven Aspekten gibt esauch nachteilige Gesichtspunkte. Auchdiese Stoffe sind nur als zeitlich begrenzteAlternativen anzusehen. Der R22-Anteilhat ein, wenn auch geringes, Ozongefähr-dungspotenzial. Weiterhin weisen dieZusatzkomponenten R125, R143a undR218 einen vergleichsweise hohen Treib-hauseffekt auf.

Resultierende Auslegungskriterien/Umstellung bestehender R502-Anlagen

Verdichter und die auf R502 abgestimm-ten Zusatzkomponenten können in denmeisten Fällen im System verbleiben. Zu berücksichtigen sind jedoch die Ein-schränkungen im Anwendungsbereich:Höhere Druckgastemperatur als R502 fürR402B**, R403A** und R408A** bzw.höhere Drucklagen bei R402A** undR403B**.

Wegen des guten Löslichkeitsverhaltensvon R22 und R290 besteht eine erhöhteGefahr, dass nach Umstellung der Anlageeventuelle Ablagerungen chlorhaltigerÖlzersetzungsprodukte abgelöst werdenund in Verdichter und Regelgeräte gelan-gen. Besonders gefährdet in dieser Hinsicht sind Systeme, deren chemischeStabilität bereits bei R502-Betrieb unge-nügend ist (schlechte Wartung, geringe Trocknerkapazität, hohe thermische Bela-stung). Es sollten deshalb bei der Umstel-lung reichlich dimensionierte Sauggasfilterund Flüssigkeitstrockner zur Reinigungeingesetzt werden und nach etwa 100

Service-Gemische mit derBasiskomponente R22*als Ersatzstoffe für R502

Abb. 15 Auswirkungen der Gemischvariation auf die Druckgastemperatur (Beispiel: R22/R218/R290)

Abb. 16 Vergleich der Leistungsdaten eines halbhermetischen Verdichters

Dru

ckga

stem

pera

tur

[˚C]

Anteil von R218 [%]

170

0 6020 40

165

150

115

120

130

140

R40

3A

R40

3B

R502

totctoh

R22

-35°C40°C20°C

145

155

135

125

160

Leis

tung

sver

glei

ch

110

105

100

95

90

85

[%]

totctoh

-35°C40°C20°C

115

Qo COP

R50

2

R40

2A (

HP

80)

R40

2B (

HP

81)

R40

3B (

69L

)

R40

3A (

69S

)

R40

8A (

FX

10)

R40

3B (

69L

)

R40

3A (

69S

)

R40

8A (

FX

10)

R50

2

R40

2A (

HP

80)

R40

2B (

HP

81)

* Beim Einsatz R22-haltiger Blends sind diegesetzlichen Bestimmungen zu beachten, sieheauch Seite 8.

** Klassifizierung nach ASHRAE-Nomenklatur.

16

Service-Gemische

Betriebsstunden ein Ölwechsel erfolgen;weitere Kontrollen sind zu empfehlen.

Um einen Vergleich über das Betriebsver-halten zu ermöglichen, sollten außerdemdie Betriebsbedingungen (u. a. Druckgas-temperatur und Sauggasüberhitzung) bei R502-Betrieb protokolliert und mit denWerten nach der Umrüstung verglichenwerden. Abhängig von den Resultatensind eventuelle Korrekturen in der Einstel-lung von Regelgeräten oder auch Zusatz-maßnahmen erforderlich.

Ergänzende BITZER-Information zumEinsatz von Retrofit-Gemischen(auch unter http://www.bitzer.de)

# Technische Information KT-650„Umstellung von R12- und R502-Kälteanlagen auf Alternativ-Kältemittel“

Service-Gemische alsErsatzstoffe für R12 (R500)

Ergänzende BITZER-Information zumEinsatz von Retrofit-Gemischen(auch unter http://www.bitzer.de)

# Technische Information KT-650„Umstellung von R12- und R502-Kälteanlagen auf Alternativ-Kältemittel“

Obwohl sich, wie die Erfahrungen bereitszeigen, R134a auch gut für die Umstel-lung bestehender R12-Anlagen eignet, isteine generelle Verwendung für „Retrofit“-Maßnahmen nicht möglich. Nicht alle frü-her eingesetzten Verdichter sind konstruk-tiv für den Einsatz von R134a ausgelegt.Zudem bedingt die Umrüstung auf R134aeine Möglichkeit zum Ölwechsel, die zumBeispiel bei hermetischen Verdichternmeist nicht gegeben ist.

Hinzu kommen wirtschaftliche Gesichts-punkte, speziell bei älteren Anlagen – eineUmstellprozedur auf R134a ist relativ auf-wändig. Vielfach ist auch die chemischeStabilität derartiger Anlagen mangelhaftund damit die Erfolgsaussichten rechtfraglich.

Als Alternative zu R134a stehen für sol-che Anlagen ebenfalls sog. „Service-Ge-mische“ zur Verfügung, die unter denBezeichnungen R401A/R401B* (MP39/MP66 – DuPont), R409A* („Forane“ FX56 – Arkema, Solvay) vertrieben wer-den. Wesentliche Bestandteile sind dieHFCKW-Kältemittel R22, R124 und/oderR142b. Als weitere Komponente wird ent-

weder HFKW R152a oder R600a (Isobu-tan) verwendet. Durch den überwiegendenAnteil an HFCKW ist ein Betrieb mit her-kömmlichen Schmierstoffen möglich (be-vorzugt teil- oder vollsynthetisch).

Ein weiteres Service-Gemisch wurde unterder Bezeichnung R413A (ISCEON49 –DuPont) angeboten, jedoch Ende 2008durch R437A ersetzt. Aus Gründen derEntwicklungsgeschichte von Service-Gemischen wird R413A im vorliegendenReport weiterhin behandelt. Bestandteile sind die chlorfreien Substan-zen R134a, R218 und R600a. Trotz deshohen R134a-Anteils ist der Einsatz vonkonventionellen Schmierstoffen möglichund zwar bedingt durch die relativ niedri-ge Polarität des R218 und das gute Lös-lichkeitvermögen von R600a.

Bei R437A handelt es sich um ein Ge-misch aus R125, R134a, R600 und R601mit ähnlichen Leistungsdaten und Eigen-schaften wie R413A. Das Kältemittel istebenfalls chlorfrei (ODP = 0).

Wegen der begrenzten Mischbarkeit vonR413A und R437A mit Mineral- und Alkyl-benzol-Ölen kann es jedoch bei Anlagenmit hoher Ölzirkulationsrate und/oder gro-ßem Flüssigkeitsvorrat im Sammler zuÖlverlagerung kommen – z.B. bei Installa-tionen ohne Ölabscheider.

Falls ungenügende Ölrückführung zumVerdichter festgestellt wird, empfiehlt derKältemittelhersteller, einen Teil der Origi-nal-Ölfüllung durch Esteröl zu ersetzen.Aus Sicht des Verdichterherstellers be-dingt eine solche Maßnahme jedoch einesehr sorgfältige Überprüfung der Schmier-bedingungen. Falls es z.B. zu verstärkterSchaumbildung im Kurbelgehäuse desVerdichters kommen sollte, wird eine kom-plette Umstellung auf Esteröl erforderlich.Eine Zumischung oder Umstellung aufEsteröl führt zudem unter Einwirkung derhochpolaren Mischung aus Esteröl undHFKW zu verstärkter Ablösung von Zerset-zungsprodukten und Schmutz im Rohr-netz. Es sind deshalb reichlich dimensio-nierte Saugreinigungsfilter vorzusehen. Weitere Hinweise siehe „Guidelines“ desKältemittelherstellers.

Resultierende Auslegungskriterien/Umstellung bestehender R12-Anlagen

Verdichter und Zusatzkomponenten kön-nen meistens im System verbleiben, beiR413A und R437A ist jedoch die Eignungfür HFKW-Kältemittel zu prüfen. Die eigent-lichen „Retrofit“-Maßnahmen beschränkensich damit im wesentlichen auf den Aus-tausch des Kältemittels (ggf. Öl) und einesorgfältige Überprüfung der Überhitzungs-einstellung des Expansionsventils. Ausden relativ großen Siedepunktunterschie-den der einzelnen Substanzen resultiertein deutlich ausgeprägter Temperaturgleit(Abb. 34, Seite 35), der für die Beurteilungder effektiven Sauggasüberhitzung einegenaue Kenntnis der Sättigungszuständevoraussetzt (ersichtlich aus den Dampfta-feln der Kältemittelhersteller).

Zu beachten ist außerdem der Einsatzbe-reich. Wegen der steileren Leistungscha-rakteristik dieser Gemische – im Vergleichzu R12 – sind für hohe und niedrige Ver-dampfungstemperaturen entweder unter-schiedliche Kältemitteltypen erforderlichoder aber deutliche Leistungsdifferenzenzu berücksichtigen (Daten und Einsatzbe-reiche siehe Seiten 36 bis 39).

Wegen des teilweise hohen R22-Anteils,insbesondere der Tiefkühl-Gemische, liegtdie Druckgastemperatur bei einigen Kälte-mitteln deutlich höher als mit R12. DieAnwendungsgrenzen der Verdichter sinddeshalb vor einer Umstellung zu prüfen.

Sonstige Einsatzkriterien sind ähnlich zubewerten wie bei den zuvor behandeltenR502-Ersatzstoffen.

* Beim Einsatz R22-haltiger Blends sind diegesetzlichen Bestimmungen zu beachten, sieheauch Seite 8.

17

Chlorfreie R502- und R22-Alternativen (Gemische)

Abb. 17 R404A/R502 – Vergleich der Druckgastemperaturen eines halbhermetischen Verdichters


Dru

ckga

stem

pera

tur v

on R

404A

– re

lativ

er U

nter

schi

ed z

u R

502

[K]

Verdampfung [˚C]

-20-40 -30 -20 -10

tc 55°C

tc 40°C

toh 20°C

-10

0

+10

Leis

tung

sver

glei

ch

100

95

90

80

[%] totctoh

-35°C40°C20°C

105

Qo

85

COP

R50

2

R40

4A

R50

7A

R50

2

R40

4A

R50

7A

Druckgastemperatur des Verdichters(Abb. 17). Dadurch ist auch der wirt-schaftliche Einsatz einstufiger Verdichterbei niedrigen Verdampfungstemperaturengewährleistet.

Bedingt durch die ähnlichen Siedepunktevon R143a und R125, bei relativ geringemZusatz an R134a, liegt der Temperaturgleitbeim ternären Gemisch R404A im relevan-ten Anwendungsbereich unterhalb einemKelvin. Die Verhältnisse in den Wärmeaus-tauschern sind dadurch nicht wesentlichanders als bei Azeotropen. Auch die bis-herigen Ergebnisse aus Wärmeübergangs-messungen zeigen günstige Bedingungen.

R507A ist eine binäre Stoffpaarung, diesogar über einen relativ breiten Bereichein azeotropes Gemisch bildet. Die Bedin-gungen sind damit tendenziell sogar nochbesser.

Die in Labortests ermittelten Leistungs-werte (Abb. 18) ergeben nur geringe Un-terschiede zwischen den verschiedenenStoffen und zeigen eine weitgehendeÜbereinstimmung mit R502. Dies erklärtauch die gute Marktdurchdringung dieserSubstitute.

Fragen zur Materialverträglichkeit sind über-schaubar; die Erfahrungen mit anderenHFKWs lassen eine gute Beurteilung zu.

Als Schmierstoffe können POE-Öle ver-wendet werden; die Eignung von Alterna-tiven wird ebenfalls untersucht (siehe Sei-ten 9/10).

Ein gewisses Manko ist das relativ hoheTreibhauspotenzial (GWP100= 3780…3850),das wesentlich von R143a und R125 be-stimmt wird. Im Vergleich zu R502 istjedoch eine Verbesserung eingetreten, dieauch im Hinblick auf den günstigen Ener-gieverbrauch zur Minderung des TEWI-Wertes beiträgt. Weitere Verbesserungenin dieser Hinsicht sind auch durch weiter-entwickelte Systemsteuerungen möglich.Dazu gehört zum Beispiel die kontrollierteAbsenkung des Verflüssigungsdruckes beiniedrigen Außentemperaturen.


In der Anlagentechnik kann in weiten Be-reichen auf die Erfahrungen mit R502 auf-gebaut werden.

Aus thermodynamischer Sicht ist ein Wär-meaustauscher zwischen Saug- und Flüs-sigkeitsleitung zu empfehlen; Kälteleis-tung und Leistungszahl werden dadurchverbessert.

Die Verfügbarkeit der Kältemittel ist ge-sichert.

R404A und R507A alsErsatzstoffe für R502 und R22

Bei diesen Gemischen handelt es sich umchlorfreie Ersatzstoffe (ODP = 0) für R502sowie R22 im Bereich von Normal- undTiefkühlung.

Ein bereits Anfang ’92 vorgestelltes Ge-misch wurde unter dem Handelsnamen„Suva“ HP62 (DuPont) eingeführt und beiVerdichterherstellern und Anwendern mitguten Resultaten getestet. Weitere Alter-nativen wurden unter „Forane“ FX70 (Ato-fina/Arkema), „Genetron“ AZ50 (Allied Sig-nal/Honywell) oder „Solkane“ 507 (Solvay)angeboten. Inzwischen sind HP62 undFX70 in der ASHRAE-Nomenklatur alsR404A und AZ50 als R507A geführt.

Die Basiskomponenten gehören zur Grup-pe der HFKW, wobei R143a der brennba-ren Kategorie zuzuordnen ist. Durch dieVerbindung mit einem relativ hohen Anteilvon R125 ist die Brennbarkeit wirksamverhindert; dies gilt auch für den Fall einerLeckage.

Merkmal aller Bestandteile ist der jeweilssehr niedrige Adiabatenexponent mit demResultat einer dem Kältemittel R502 ver-gleichbaren, tendenziell sogar geringeren

18


Ergänzende BITZER-Informations-schriften zum Einsatz von HFKW-Gemischen(auch unter http://www.bitzer.de)

# Technische Information KT-651„Umstellung von R22-Anlagen aufAlternativ-Kältemittel”

# Technische Information KT-510„Polyolester-Öle für Hubkolbenver-dichter“

Alternativ zu den vorher behandelten Sub-stituten wurden weitere Gemischvariantenmit der ebenfalls – wie R143a – chlor-freien (ODP = 0) und brennbaren Basis-komponente R32 entwickelt. Dieses auchden HFKW zugehörige Kältemittel wird iners-ter Linie als Kandidat für R22-Alterna-tiven angesehen (Seite 20). Durch diegroße Bandbreite der Gemischzusammen-setzung sind aber auch dem R502 ähnli-che thermodynamische Eigenschaften zuerzielen.

Solche Kältemittel waren anfangs unterden Handelsnamen KLEA 60/61 (ICI) amMarkt und werden in der ASHRAE-Nomen-klatur als R407A/R407B* geführt.

Allerdings sind die Voraussetzungen fürR32-haltige R502-Alternativen nicht ganzso günstig wie bei den zuvor behandeltenSubstituten mit R143a als Basiskompo-nente. Der Siedepunkt von R32 liegt mit -52°C sehr tief, außerdem ist der Adiaba-tenexponent ähnlich hoch wie bei R22.Eine Anpassung der Eigenschaften anR502-Niveau bedingt deshalb jeweilseinen relativ hohen Anteil an R125 undR134a. Die Brennbarkeit von R32 ist da-

durch zwar wirksam unterdrückt, gleich-zeitig führen aber die großen Siedepunkts-unterschiede bei höherem R134a-Anteil zueinem größeren Temperaturgleit.

Der wesentliche Vorteil von R32 ist dasaußerordentlich geringe Treibhauspotenzial(GWP100 = 550), das dann selbst in Ver-bindung mit R125 und R134a noch we-sentlich niedriger ist als bei den zuvor beschriebenen Alternativen mit R143a.

Untersuchungen mit R32-haltigen Gemi-schen zeigen zwar bei tieferen Verdamp-fungstemperaturen gewisse Minderleistun-gen gegenüber R502 sowie R404A undR507A, die Leistungszahlen weichen aberweit weniger ab (Abb. 20). Damit sind dieTEWI-Werte vergleichsweise niedrig, wasauch zu einem guten Teil auf das geringedirekte Treibhauspotenzial zurückzuführenist.

Ob sich diese günstigen Perspektiven inrealen Anlagen bestätigen, hängt von derSystemausführung ab.

Wesentlich ist dabei der deutlich ausge-prägte Temperaturgleit, der sich negativauf die Leistung bzw. Temperaturdifferenzvon Verdampfer und Verflüssiger auswir-ken kann.

Hinsichtlich der Materialverträglichkeitsind R32-Gemische ähnlich zu bewerten

R407A/407B/407F als Ersatz-stoffe für R502 und R22

BITZER bietet das gesamte Programmder Hubkolben-, Scroll- und Schrauben-verdichter für diese Gemische an.

Umstellung bestehender (H)FCKW-Anlagen

Die in Untersuchungsprogrammen gewon-nenen Erfahrungen zeigen, dass qualifi-zierte Umrüstungen möglich sind. Je nachSystemausführung können jedoch größereAufwändungen erforderlich werden.

Abb. 19 Vergleich der Druckgastemperaturen eines halbhermetischen Verdichters


Dru

ckga

stem

pera

tur v

on R

407A

/B –

rela

tiver

Unt

ersc

hied

zu

R50

2 [K

]

Verdampfung [˚C]

-10-40 -30 -20 -10

0

+10

+20

R407A

toh

R407B

40°Ctc

20°C

Leis

tung

sver

glei

ch

Qo

100

95

90

75

[%] totctoh

-35°C40°C20°C

105

80

COP

R50

2

R40

7A

R40

7B

R50

2

R40

7A

R40

7B

19


Ergänzende BITZER-Informations-schrift zum Einsatz von HFKW-Gemischen(auch unter http://www.bitzer.de)


wie die zuvor beschriebenen HFKW-Sub-stitute; gleiches gilt auch für die Schmier-stoffe.

Trotz der relativ hohen Anteile von R125und R134a der auf R502-Eigenschaftenausgerichteten R32-Gemische, liegt dieDruckgastemperatur etwas höher als beiden auf R143a basierenden Alternativen.Damit ergeben sich teilweise Einschrän-kungen im Anwendungsbereich.

Aus dieser Sicht, aber auch im Hinblickauf die Wirtschaftlichkeit, empfiehlt sichebenfalls eine intelligente Steuerung zurkontrollierten Absenkung des Verflüssi-gungsdrucks bei niedrigen Außentem-peraturen.

Bei besonders hohen Temperaturhübenkönnen 2-stufige Verdichter sehr wirt-schaftlich eingesetzt werden. Von wesent-lichem Vorteil ist dabei der Einsatz einesFlüssigkeitsunterkühlers.


Für die Anlagentechnik lassen sich in vie-ler Hinsicht die Erfahrungen mit R502 undR22 heranziehen, wobei aber der Tempe-raturgleit sowie Unterschiede in den ther-modynamischen Eigenschaften zu berück-sichtigen sind. Dies betrifft besonders dieAuslegung und Konstruktion von Wärme-austauschern und Expansionsventilen.

* R407B ist inzwischen nicht mehr am Markt verfüg-bar. Aus Gründen der Entwicklungsgeschichte vonHFKW-Gemischen wird dieses Kältemittel jedochim vorliegenden Report weiterhin behandelt.

Umstellung bestehender (H)FCKW-Anlagen

Praktische Erfahrungen zeigen, dass qua-lifizierte Umrüstungen möglich sind. We-gen der im Vergleich zu R22 ähnlichenvolumetrischen Kälteleistung und einesnur unwesentlich höheren Kältemittel-massenstroms, sind die Voraussetzungenzur Umrüstung von R22-Normal- und Tief-kühlanlagen relativ günstig.

Dies trifft ebenso auf ein von Honeywellspeziell zur Umrüstung von R22-Anlagenentwickeltes Gemisch mit dem Handels-namen Performax LT zu (BezeichnungR407F nach ASHRAE-Nomenklatur).

Wesentliche Komponenten können imSystem verbleiben sofern sie mit HFKW-Kältemitteln und Esteröl kompatibel sind.

Zu berücksichtigen sind jedoch die be-sonderen Anforderungen an Wärmeaustau-scher mit Blick auf den ausgeprägten Tem-peraturgleit. Eine Umstellung auf Esterölist ebenfalls erforderlich, wodurch es zuverstärkter Ablösung von Zersetzungspro-dukten und Schmutz im Rohrnetz kommt.Es sind deshalb reichlich dimensionierteSaugreinigungsfilter vorzusehen.

R422A (ISCEON MO79 – DuPont) wurdeu.a. mit dem Ziel entwickelt, ein chlor-freies Kältemittel (ODP = 0) für die einfa-che Umstellung bestehender R502- undR22-Normal- und Tiefkühlanlagen anzu-bieten.

Hierzu war es erforderlich, ein in Leis-tungsdaten und Energieeffizienz mitR404A, R507A und R22 vergleichbaresKältemittel zu formulieren, das auch denEinsatz konventioneller Schmierstoffe ermöglicht.

Es handelt sich um ein zeotropes Gemischmit den Basiskomponenten R125 undR134a sowie einem geringen Zusatz vonR600a. Wegen des relativ hohen R134a-Anteils liegt der Temperaturgleit (Abb. 34)höher als bei R404A, jedoch niedriger alsbei anderen Kältemitteln mit den gleichenGemischkomponenten – wie z.B. R417Aund R422D (siehe Seite 22).

Der Adiabatenexponent ist im Vergleich zu R404A und R507A geringer und damitauch die Druckgas- und Öltemperatur desVerdichters. Bei extremeren Anwendungenim Tiefkühlbereich können sich darausVorteile ergeben, im Falle niedriger Druck-verhältnisse und Sauggasüberhitzungkann dies wegen tendenziell höherer

R422A als Ersatzstoff für R502 und R22

Kältemittelanreicherung bei Einsatz vonEsteröl aber nachteilig sein. Die Materialverträglichkeit ist mit denzuvor behandelten Gemischen vergleich-bar; gleiches gilt auch für die Schmierstof-fe. Wegen des guten Löslichkeitsvermö-gens von R600a können unter günstigenVoraussetzungen auch konventionelleSchmierstoffe zum Einsatz kommen.

Vorteile ergeben sich insbesondere bei derbereits erwähnten Umstellung bestehenderR502- und R22-Systeme. Bei Anlagen mithoher Ölzirkulationsrate und/oder großemFlüssigkeitsvorrat im Sammler kann esallerdings zur Ölverlagerung kommen –z.B. bei Installationen ohne Ölabscheider.

Falls ungenügende Ölrückführung zumVerdichter festgestellt wird, empfiehlt derKältemittelhersteller, einen Teil der Origi-nal-Ölfüllung durch Esteröl zu ersetzen.Aus Sicht des Verdichterherstellers be-dingt eine solche Maßnahme jedoch einesehr sorgfältige Überprüfung der Schmier-bedingungen. Falls es z.B. zu verstärkterSchaumbildung im Kurbelgehäuse desVerdichters kommen sollte, wird eine kom-plette Umstellung auf Esteröl* erforderlich.Eine Zumischung oder Umstellung aufEsteröl führt unter Einwirkung der hochpo-laren Mischung aus Esteröl und HFKW zuverstärkter Ablösung von Zersetzungspro-dukten und Schmutz im Rohrnetz. Es sinddeshalb reichlich dimensionierte Saugrei-nigungsfilter vorzusehen. Weitere Hinweise siehe „Guidelines“ desKältemittelherstellers.

Aus thermodynamischer Sicht ist ein Wär-meaustauscher zwischen Saug- und Flüs-sigkeitsleitung zu empfehlen; Kälteleistungund Leistungszahl werden dadurch ver-bessert. Außerdem führen die resultieren-den höheren Betriebstemperaturen desVerdichters zu günstigeren Schmierver-hältnissen (geringere Löslichkeit).

* Generelle Empfehlung bei Schraubenverdichternsowie Flüssigkeitskühlsätzen bei Verwendung vonEinspritzverdampfern mit innenstrukturierten Wär-meaustauscherrohren. Zudem ist eine individuelleÜberprüfung mit Blick auf eventuelle Zusatzmaß-nahmen erforderlich.

BITZER-Verdichter sind für R422A ge-eignet. Eine individuelle Auslegung istauf Anfrage möglich.

Nachdem das HFCKW-Kältemittel R22(ODP = 0.05) nur noch als Übergangslö-sung akzeptiert wird, ist eine Reihe chlor-freier (ODP = 0) Alternativen entwickeltund eingehend untersucht worden. Siewerden bereits in größerem Umfang inrealen Anlagen eingesetzt.

Die Erfahrungen zeigen jedoch, dass kei-nes der betreffenden Substitute das Käl-temittel R22 in allen Belangen ersetzenkann. Unterschiede zeigen sich u.a. in derspezifischen Kälteleistung, Einschränkun-gen im Anwendungsbereich, Besonderhei-ten bei der Systemauslegung oder auch inwesentlich abweichenden Drucklagen. Jenach Einsatzbedingungen kommen daherverschiedene Stoffe in Betracht.

Neben dem HFKW-EinstoffkältemittelR134a sind dies vor allem Gemische (ver-schiedener Zusammensetzung) mit denKomponenten R32, R125, R134a, R143aund R600(a), über deren Entwicklung undEinsatzmöglichkeiten im folgenden infor-miert wird. Besondere Bedeutung kommtauch den halogenfreien Stoffen NH3, Pro-pan und Propylen sowie CO2 zu, derenVerwendung jedoch spezifischen Kriterienunterliegt (Beschreibung ab Seite 23).

20

Chlorfreie R22-Alternativen (Gemische)

Abb. 21 R407C/R22 – Vergleich der Leistungsdaten eines halbhermetischen Verdichters

Abb. 22 R407C/R22 – Vergleich der Drucklagen

Verh

ältn

is R

407C

zu

R22

(=10

0%)

Verdampfung [˚C]

80

110

10 20

90

100

85

95

105

-20 -10 0

COP

Qo

tc 40˚C

tc 50˚C

tc 50˚C

tc 40˚C

toh 20˚C

Dru

ck [

bar]

Temperatur [˚C]

-40 40 60-20 0 20

25

15

1

20

10

2

4

6

R22

R407C

R407C als Ersatzstofffür R22

Treibhauspotenzial (GWP100 = 1650) relativniedrig, wodurch gute Vorraussetzungenfür günstige TEWI-Werte gegeben sind.

Nachteilig für übliche Anwendungen istder hohe Temperaturgleit, der eine ange-passte Anlagentechnik erfordert und sichauch negativ auf die Effizienz der Wärme-austauscher auswirken kann (siehe Erläu-terungen Seiten 13/14).

Auf Grund der erwähnten Eigenschaftenist R407C in erster Linie ein R22-Substitutfür Klimasysteme und – unter Einschrän-kung – auch für Normalkühlung. Wegendes hohen R134a-Anteils ist bei Tiefkühl-anwendung eine deutliche Minderung vonKälteleistung und Leistungszahl zu berük-ksichtigen. Zudem verstärkt sich die Ge-fahr einer erhöhten R134a-Anreicherungdes Gemisches im Verdampfer mit derFolge von Leistungsminderung und Fehl-funktion des Expansionsventils (z.B. unge-nügende Sauggasüberhitzung).

Die Materialverträglichkeit ist ähnlich zubewerten wie bei den zuvor behandeltenGemischen; gleiches gilt auch für dieSchmierstoffe.

Gemische mit den HFKW-KältemittelnR32, R125 und R134a werden als aus-sichtsreiche Kandidaten für eine kurzfristi-ge Substitution von R22 angesehen – Leistungswerte und Wirtschaftlichkeit sindsehr ähnlich (Abb. 21). Zunächst wurdenzwei Gemische gleicher Zusammenset-zung unter den Handelsnamen AC9000*(DuPont) und KLEA66* (ICI) angeboten.Sie werden in der ASHRAE-Nomenklaturals R407C geführt. Darüber hinaus gibt es noch weitere Gemischvarianten (z.B.R407D**/R407E/R407F***) mit veränderterZusammensetzung, deren Eigenschaftenfür bestimmte Anwendungen optimiert sind.

Im Gegensatz zu den R502-Alternativenmit identischen Komponenten (Seiten 18und 19), enthalten die betreffenden R22-Substitute höhere Anteile an R32 undR134a. Damit wird hinsichtlich Druckla-gen, Massenstrom, Dampfdichte undvolumetrischer Kälteleistung eine guteÜbereinstimmung mit den Eigenschaftenvon R22 erreicht. Außerdem ist das

Chlorfreie R22-Alternativen

* Frühere Handelsnamen werden nicht mehr verwendet.

** Wegen des hohen R134a-Anteils (70%) beiR407D ist dieses Kältemittel nicht als R22-Alter-native einzustufen, sondern eher als Ersatzstofffür R12 im Tiefkühlbereich.

*** Siehe Seite 18.

21



In der Anlagentechnik kann nur unter Ein-schränkung auf die Erfahrungen mit R22zurückgegriffen werden.

Der ausgeprägte Temperaturgleit erforderteine spezielle Auslegung von wesent-lichen Anlagenkomponenten (u.a. Ver-dampfer, Verflüssiger, Expansionsventil).Dabei ist zu berücksichtigen, dass Wär-meaustauscher bevorzugt in Gegenstrom-bauweise und mit optimierter Kältemittel-verteilung ausgeführt werden sollten.Besondere Anforderungen bestehen auchhinsichtlich der Einstellung von Regelge-räten und der Handhabung beim Service.

Darüber hinaus ist der Einsatz in Anlagenmit überflutetem Verdampfer nicht zuempfehlen. Es sind starke Konzentrations-verschiebungen bzw. Schichtung im Ver-dampfer zu erwarten.

BITZER bietet ein umfassendes Pro-gramm an halbhermetischen Hubkol-ben-, Schrauben- und Scroll-Verdich-tern für R407C an.

Umstellung bestehender Anlagen

Eine Reihe von Anlagen wurde zu Ver-suchszwecken umgestellt. Wegen derzuvor erwähnten Kriterien lassen sichjedoch keine allgemein gültigen Richtli-nien definieren, eine individuelle Überprü-fung ist deshalb jeweils notwendig.

Abb. 23 R410A/R22 – Vergleich der Leistungsdaten eineshalbhermetischen Verdichters

Abb. 24 R410A/R22 – Vergleich der Drucklagen

Verh

ältn

is R

410A

zu

R22

(=10

0%)

Verdampfung [˚C]

80

150

10 20-20 -10 0

toh 20˚C

COP

Qo

tc 40˚C

tc 50˚C

tc 50˚C

tc 40˚C

90

140

130

120

110

100

Dru

ck [

bar]

Temperatur [˚C]

-40 40 60-20 0 20

25

15

20

10

2

4

6

3

3530

R22

R410A

Neben R407C wird das nahe-azeotropeGemisch mit der ASHRAE-KennzeichnungR410A angeboten und auch schon in gro-ßem Umfang – bevorzugt Klimatechnik –eingesetzt.

Wesentliches Merkmal ist eine im Ver-gleich zu R22 fast 50% höhere Kälteleis-tung (Abb. 23), jedoch mit der Konse-quenz eines ebenso deutlichen Anstiegsder Drucklagen (Abb. 24).

Energiebedarf/Leistungszahl (COP) er-scheinen bei hohen Verflüssigungstempe-

R410A als Ersatzstofffür R22

raturen zunächst ungünstiger als bei R22.Dies ist wesentlich bedingt durch die ther-modynamischen Eigenschaften. Anderer-seits können sehr hohe Gütegrade (beiKolben- und Scrollverdichtern) erreichtwerden, wodurch sich real geringere Un-terschiede ergeben.

Hinzu kommen die in vielen Testreihenermittelten hohen Wärmeübergangskoeffi-zienten in Verdampfern und Verflüssigernmit dem Resultat besonders günstigerBetriebsbedingungen. Bei optimierterAuslegung kann damit im System durch-aus eine höhere Gesamteffizienz erreichtwerden als mit anderen Kältemitteln.

Wegen des nahezu vernachlässigbarenTemperaturgleits (< 0.2 K) sind auch dieEinsatzmöglichkeiten gleich zu bewertenwie bei Einstoff-Kältemitteln.

Die Materialverträglichkeit ist mit denzuvor behandelten Gemischen vergleich-bar; gleiches gilt auch für Schmierstoffe.Allerdings sind dabei das Druckniveauund die höhere spezifische Belastung derBauteile zu berücksichtigen.

22


Ebenso wie bei R422A (Seite 19) war eines der Ziele bei diesen Entwicklungen,chlorfreie Kältemittel (ODP = 0) für dieeinfache Umstellung bestehender R22-Anlagen anzubieten.

R417A ist schon seit mehreren Jahren amMarkt eingeführt und wird auch unter demHandelsnamen ISCEON MO59 (DuPont)vertrieben. Dieses R22-Substitut enthältdie Gemischkomponenten R125/R134a/R600 und unterscheidet sich dadurch z.B. wesentlich von R407C mit einem entsprechend hohen Anteil an R32.

Unterdessen wird ein weiteres Kältemittelauf Basis identischer Komponenten, je-doch mit höherem R125-Anteil unter demHandelsnamen Solkane 22L (Solvay) ange-boten – ASHRAE-Kennzeichnung R417B.Wegen des geringeren R134a-Anteils lie-gen die volumetrische Kälteleistung, aberauch die Drucklagen höher als bei R417A.Hieraus ergeben sich unterschiedliche Leistungsparameter und Schwerpunkte im Anwendungsbereich.

Gleiches gilt für ein weiteres Gemisch mitden gleichen Hauptkomponenten, aberR600a als Kohlenwasserstoff-Zusatz. Eswird unter dem Handelsnamen ISCEONMO29 (DuPont) vertrieben und in derASHRAE-Nomenklatur unter R422D geführt.

Ein ebenfalls zur Kategorie HFKW/KW-Gemische gehörendes Kältemittel wurde2009 unter dem Handelsnamen ISCEONMO99 (DuPont) vorgestellt – ASHRAE-Kennzeichnung R438A. Die Formulierungwurde gezielt auf eine höhere kritischeTemperatur für Anwendungen in heißenKlimazonen ausgerichtet. Basiskompo-nenten sind R32, R125, R134a, R600 undR601a.

Bei allen vier Ersatz-Kältemitteln handeltes sich, wie bei R407C, um zeotropeGemische mit mehr oder weniger ausge-prägtem Temperaturgleit. Insofern geltenauch hierfür die im Zusammenhang mitR407C beschriebenen Kriterien.

Trotz ähnlicher Kälteleistung bestehenwesentliche Unterschiede in den thermo-dynamischen Eigenschaften und im Öl-

R417A/417B/422D/438A als Ersatzstoffe für R22

R427A als Ersatzstoff für R22

Dieses Kältemittelgemisch wurde vor ei-nigen Jahren unter dem HandelsnamenForane FX100 (Arkema) am Markt einge-führt und ist inzwischen in der ASHRAE-Nomenklatur als R427A gelistet.

Dieses R22-Substitut wird zur Umstellungbestehender R22-Anlagen angeboten, fürdie eine „Null-ODP-Lösung“ gefordertwird. Es handelt sich um ein HFKW-Ge-misch mit den Basiskomponenten R32/R125/R143a/R134a.

Trotz der Gemischkomposition auf Basisreiner HFKW-Kältemittel ist lt. Herstellereine vereinfachte Retrofit-Prozedur mög-lich.

transportverhalten. Der hohe R125-Anteilbewirkt bei R417A/B und R422D einenhöheren Massenstrom als bei R407C,deutlich geringere Druckgastemperaturund eine relativ hohe Überhitzungsenthal-pie. Diese Eigenschaften lassen daraufschließen, dass sich Unterschiede bei derOptimierung von Systemkomponentenergeben können und der Einsatz einesWärmeaustauschers zwischen Flüssig-keits- und Saugleitung vorteilhaft seinkann.

Trotz des überwiegenden Anteils an HFKW-Kältemitteln ist der Einsatz von konventio-nellen Schmierstoffen teilweise möglichund zwar bedingt durch das gute Löslich-keitsvermögen des Kohlenwasserstoff-An-teils. Bei Anlagen mit hoher Ölzirkulations-rate und/oder großem Flüssigkeitsvorrat imSammler kann es allerdings zu Ölverlagerungkommen. In solchen Fällen werden Zusatz-maßnahmen erforderlich. Weitere Informationen zu Ölzirkulation undSchmierstoffen siehe Kapitel "R422A alsErsatzstoff für R502 und R22" (Seite 19).

BITZER-Verdichter sind für den Einsatzder beschriebenen Kältemittel geeignet.Eine individuelle Auslegung ist auf Anfra-ge möglich.


Für die Anlagentechnik lassen sich diegrundsätzlichen Auslegungskriterien fürHFKW-Gemische übertragen, jedoch unterdem Gesichtspunkt des extrem hohenDruckniveaus (43°C Verflüssigungstempe-ratur entspricht bereits 26 bar abs.).

Derzeit allgemein verfügbare Verdichterund sonstige Anlagenkomponenten sindnicht oder nur mit Einschränkungen fürdieses Kältemittel geeignet.

Wegen der allgemein günstigen Eigen-schaften von R410A werden jedoch welt-weit große Anstrengungen zur Entwick-lung geeigneter Bauteile unternommen.

Bei der Anpassung des Systems an diefür R22 bisher üblichen Anwendungsbe-reiche sind zunächst die deutlich vonein-ander abweichenden thermodynamischenEigenschaften zu berücksichtigen (z.B.Drucklagen, Massen- und Volumenstrom,Dampfdichte). Dies erfordert u.a. wesent-liche konstruktive Änderungen an Verdich-tern, Wärmeaustauschern und Armaturensowie Maßnahmen zur schwingungstech-nischen Abstimmung. Hinzu kommen er-höhte sicherheitstechnische Anforderun-gen, die sich u.a. auch auf die Qualitätund Dimensionierung von Rohrleitungenund flexiblen Leitungselementen (bei Ver-flüssigungstemperaturen von ca. 60°C für40 bar!) auswirken.

Ein weiteres Kriterium ist die relativ niedri-ge kritische Temperatur von 73°C. Unab-hängig von der Auslegung hochdruckseiti-ger Komponenten ist damit die Verflüssi-gungstemperatur eingeschränkt.

BITZER hat schon sehr früh umfassen-de Untersuchungen mit R410A durch-geführt und eine Reihe von Projektenbegleitet. Inzwischen steht jeweils eine Baureihevon Octagon®- und Scrollverdichternfür R410A zur Verfügung.

23

HFO/HFKW-Gemische

Eine individuelle Verdichterauslegungist auf Anfrage möglich.

Dies wird durch den R143a-Anteil begüns-tigt. Danach genügt bei Umstellung vonR22 auf R427A ein einmaliger Austauschder Original-Ölfüllung gegen Esteröl. Zu-sätzliche Spülvorgänge sind nicht erforder-lich, da Anteile an Mineralöl und/oderAlkylbenzol von bis zu 15% die Ölzirkula-tion im System nicht wesentlich beeinflus-sen.

Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dasses unter Einwirkung der hochpolaren Mi-schung aus Esteröl und HFKW zu ver-stärkter Ablösung von Zersetzungspro-dukten und Schmutz im Rohrnetz kommt.Es sind deshalb reichlich dimensionierteSaugreinigungsfilter vorzusehen.

Durch die Fortschritte beim Einsatz des"Low GWP" Kältemittels HFO-1234yf(siehe Seiten 11/12) in Kfz-Klimaanlagenwird inzwischen auch die Entwicklungvon Alternativen für andere mobile An-wendungen sowie stationäre Systemeinitiiert.

Primäre Ziele sind dabei die Formulierungvon Gemischen mit deutlich reduziertemGWP bei ähnlichen thermodynamischenEigenschaften wie die heute überwiegendeingesetzten HFKWs.

Basiskomponente ist jeweils HFO-1234yf,das sich aus der Gruppe der Fluor-Olefi-ne mit chemischer Doppelbindung als inder Summe seiner Eigenschaften bevor-zugter Kandidat auszeichnet. Allerdingsist HFO-1234yf entflammbar (voraussicht-liche Einstufung in Sicherheitsgruppe A2L).Außerdem ist die volumetrische Kälteleis-tung relativ niedrig; sie liegt etwa auf demNiveau von R134a. Geeignete Substanzenaus der HFO-Gruppe mit höherer volume-trischer Leistung – als direkte Alternativenzu R22, R404A, R410A etc. – stehen nichtzur Verfügung.

Hieraus resultiert bei einer Forderung nachnicht brennbaren Kältemitteln und/odereiner höheren volumetrischen Kälteleis-tung die Mischung von HFO-1234yf miteinem HFKW.

Bedingt durch die Eigenschaften der alsGemischkomponenten geeigneten HFKW-Kältemittel, stehen jedoch Brennbarkeitund GWP in einem diametralen Zusammen-hang. Anders ausgedrückt: Gemische alsAlternativen zu R22, R404A, R410A etc.mit einem GWP < 500 sind brennbar (A2L).Nicht brennbare Stoffe haben einen z.T.deutlich höheren GWP, allerdings aufeinem wesentlich geringeren Niveau alsdie äquivalenten reinen HFKWs.

Am günstigsten ist die Situation für nichtbrennbare R134a-Alternativen. Hier kön-nen GWP-Werte =/< 600 erreicht werden.Dies entspricht weniger als der Hälfte imVergleich zu R134a. Darüber hinaus kön-nen solche Gemischvarianten azeotrope

Eigenschaften aufweisen, sie lassen sichdaher wie Einstoff-Kältemittel anwenden.

Seit einiger Zeit wird ein von DuPont ent-wickeltes Gemisch mit der BezeichnungDR-11 in Verdichtertests und realen Ver-suchsanlagen erprobt. Die bisher vorlie-genden Ergebnisse sind vielversprechend.Eine abschließende Bewertung über dieEignung dieses Kältemittels im langjähri-gen Einsatz ist derzeit jedoch nicht mög-lich. Die Untersuchungen werden deshalbin einem breiteren Umfang fortgeführt.

Ergänzende BITZER-Informations-schrift zum Einsatz von HFKW-Gemischen(auch unter http://www.bitzer.de)


HFO/HFKW-Gemische als HFKW-Alternativen

BITZER ist in diesen Projekten starkengagiert und konnte bereits wichtige Erkenntnisse beim Einsatz dieses Kälte-mittels gewinnen.

24

Halogenfreie Kältemittel

Das Kältemittel NH3 wird seit über einemJahrhundert in Industrie- und Großkälte-anlagen eingesetzt. Es hat kein Ozon-abbaupotenzial und keinen direkten Treibhauseffekt. Die Wirtschaftlichkeit ist mindestens so gut wie mit R22, in Teilbe-reichen sogar günstiger; damit ist auchder Beitrag zum indirekten Treibhauseffektgering. Außerdem ist NH3 konkurrenzlosbillig. Zusammengefasst also ein idealesKältemittel und ein optimaler Ersatz fürR22 oder eine Alternative für HFKWs!?In der Tat hat NH3 recht positive Eigen-schaften, die in Großkälteanlagen auchweitgehend nutzbar sind.

Leider gibt es auch negative Aspekte, dieeine breite Verwendung im Gewerbebe-reich wesentlich einschränken oder kost-spielige, teilweise neu zu entwickelndetechnische Lösungen erfordern.

Nachteilig bei NH3 ist zunächst der hoheAdiabatenexponent (NH3=1.31 / R22=1.18 /R12=1.14), der eine noch deutlich höhereDruckgastemperatur zur Folge hat als beiR22. Einstufige Verdichtung unterliegtdadurch schon unterhalb etwa -10°C Ver-dampfungstemperatur gewissen Ein-schränkungen.

Auch die Frage nach geeigneten Schmier-stoffen für kleinere Anlagen ist noch nichtfür alle Anwendungsbedingungen ab-schließend gelöst. Die bisher verwendetenÖle sind mit dem Kältemittel nicht löslich. Sie müssen mit aufwändiger Technikabgeschieden werden und schränkenauch den Einsatz „trockener Verdampfer“– wegen Beeinträchtigung des Wärmeaus-tausches – wesentlich ein.

Bedingt durch die hohen Druckgastem-peraturen sind auch besondere Anforde-rungen an die thermische Stabilität derSchmierstoffe zu stellen. Dies gilt beson-ders unter dem Gesichtspunkt eines auto-matischen Betriebs, bei dem das Öl jahre-lang im Kreislauf verbleiben soll und dabeikeinesfalls an Stabilität verlieren darf.NH3 hat eine außerordentlich hohe Enthal-piedifferenz und damit einen vergleichs-

NH3 (Ammoniak) als Alternativ-Kältemittel

weise geringen umlaufenden Massen-strom (ca. 13 bis 15% im Vergleich zu R22). Diese für Großanlagen günstigeEigenschaft erschwert die Einspritzrege-lung bei kleinen Leistungen.

Als weiteres Kriterium ist die korrosiveWirkung gegenüber Kupferwerkstoffenanzusehen; Rohrleitungen müssen deshalbin Stahl ausgeführt werden. Außerdem istdamit auch die Entwicklung NH3-bestän-diger Motorwicklungen, als Basis für einehalbhermetische Bauweise, wesentlichbehindert. Erschwerend hinzu kommt dabeinoch die elektrische Leitfähigkeit des Käl-temittels bei höherem Feuchtigkeitsanteil.

Zu den weiteren Eigenschaften gehörenToxizität und Brennbarkeit, die besondereSicherheitsvorschriften für Bau und Betriebsolcher Anlagen erfordern.


Bezogen auf den bisherigen „Stand derTechnik“ erfordern industrielle NH3-Systemeeine – im Vergleich zu üblichen Gewerbe-systemen – völlig andere Anlagentechnik.

Wegen der Unlöslichkeit mit dem Schmierölund den spezifischen Eigenschaften desKältemittels sind hoch effiziente Ölab-scheider sowie überflutete Verdampfer mitSchwerkraftumlauf oder Pumpensystemüblich. Wegen möglicher Gefahren fürMenschen und Kühlgut kann der Ver-dampfer auch häufig nicht direkt an derWärmequelle angeordnet werden. DerWärmetransport muss dann über einenSekundärkreislauf erfolgen.

Auf Grund des ungünstigen thermischenVerhaltens müssen schon bei mittlerenDruckverhältnissen zweistufige Verdichteroder – bei Schraubenverdichtern – reichlichdimensionierte Ölkühler eingesetzt werden.

Kältemittelleitungen, Wärmeaustauscherund Armaturen sind in Stahl auszuführen –Schweißverbindungen bei Rohrleitungengrößerer Dimension unterliegen außerdemeiner Prüfpflicht durch Sachverständige.

In Abhängigkeit von Anlagengröße undKältemittelfüllmenge sind entsprechendeSicherheitseinrichtungen sowie spezielleMaschinenräume vorzusehen.

Der Kälteverdichter wird üblicherweise in„offener Bauart“ ausgeführt, der Antriebs-motor ist ein separates Bauteil.

Diese Maßnahmen erhöhen den Aufwandfür NH3-Anlagen, insbesondere im Bereichmittlerer und kleinerer Leistungen, ganzbeträchtlich. Es werden deshalb weltweitAnstrengungen unternommen, um einfa-chere Systeme zu entwickeln, die sichauch im Gewerbebereich einsetzen lassen.

Ein Teil dieser Entwicklungsprogrammebefasst sich mit teillöslichen Schmierstof-fen zur verbesserten Ölzirkulation imSystem. Alternativ hierzu werden auchvereinfachte Methoden für eine automati-sche Rückführung unlöslicher Öle unter-sucht.

BITZER ist in diesen Projekten stark engagiert und hat eine größere Anzahl von Verdichtern im Einsatz. Die bisheri-gen Erfahrungen zeigen aber, dassAnlagen mit teillöslichen Ölen technischnur schwer zu beherrschen sind. DerFeuchtigkeitsgehalt im System hat einenwesentlichen Einfluss auf die chemischeStabilität des Kreislaufs und das Ver-schleißverhalten des Verdichters. Beihoher Kältemitteleinlagerung im Öl(Nassbetrieb, unzureichende Öltempera-tur) führt die enorme Volumenverände-rung von verdampfendem NH3 außer-dem zu starkem Verschleiß an Lager-stellen und Gleitringdichtung.Die Entwicklungen werden weiterge-führt; Schwerpunkte sind dabei auch Alternativlösungen mit unlöslichen Schmierstoffen.

Außerdem haben verschiedene Apparate-hersteller spezielle Wärmeaustauscherentwickelt, mit denen sich die Kältemittel-füllung beträchtlich reduzieren lässt.

Darüber hinaus gibt es auch Lösungen für eine „Hermetisierung“ von NH3-Anla-gen. Es handelt sich dabei um kompakte Flüssigkeitskühler mit Füllmengen unter50 kg, die in einem geschlossenen Con-tainer – teilweise mit integrierter Wasser-vorlage zur Bindung von NH3 im Leckage-fall – installiert sind.

Derartige Kompaktsätze können auch inBereichen aufgestellt werden, die bisher

25


Abb. 25 Vergleich von Druckgastemperaturen Abb. 26 NH3/R22 – Vergleich der Drucklagen

Dru

ckga

stem

pera

tur

[˚C]

Verdampfung [˚C]

-40 10-20 040

60

140

100

80

tc

# toh$

40°C10K0,8

R290

R134a

R404A

-10-30

120R22

NH3

R723

160

180

Dru

ck [

bar]

Temperatur [˚C]

1

25

0 60

6

15

4

10

20

-40 -20

2

4020

R22NH3

Ergänzende BITZER-Informationenzur Anwendung von NH3(auch unter http://www.bitzer.de)

# Technische Information KT-640„Einsatz von Ammoniak (NH3)als Alternativ-Kältemittel“

R723 (NH3/DME) als Alternative zu NH3

Die zuvor beschriebenen Erfahrungenbeim Einsatz von NH3 in gewerblichenKälteanlagen mit Direktverdampfungwaren Anlass für weitergehende Untersu-chungen auf Basis von NH3 unter Zusatzeiner öllöslichen Kältemittelkomponente.Wesentliche Ziele dabei waren eine Ver-besserung des Öltransportverhaltens undder Wärmeübertragung mit konventionel-len Schmierstoffen sowie eine reduzierte

Druckgastemperatur für den erweitertenAnwendungsbereich mit einstufigen Ver-dichtern.

Das Resultat dieses Forschungsprojekts ist ein Kältemittelgemisch aus NH3 (60%)und Dimethylether „DME“ (40%), das vom Institut für Luft- und Kältetechnik,Dresden (ILK) entwickelt wurde und inzwi-schen in einer Reihe von realen Anlagengetestet wird. Als überwiegend anorgani-sches Kältemittel erhielt es entsprechendder üblichen Kältemittelnomenklatur wegen seiner mittleren Molmasse von 23 kg/kmol die Bezeichnung R723.

DME wurde auf Grund seines guten Lös-lichkeitsvermögens und der hohen Eigen-stabilität als Zusatzkomponente ausge-wählt. Es hat einen Siedepunkt von -26°C, einen relativ niedrigen Adiabatenex-ponenten, ist nicht toxisch und steht tech-nisch in hoher Reinheit zur Verfügung. NH3und DME bilden in der genannten Konzen-tration ein azeotropes Gemisch mit einemleichten Druckanstieg gegenüber reinemNH3. Der Siedepunkt liegt bei -36,5°C (NH3-33,4°C), 26 bar (abs.) Verflüssigungsdruckentsprechen 58,2°C (NH3 59,7°C).

Die Druckgastemperatur im Klima- undNormalkühlbereich reduziert sich um etwa10 bis 25 K (Abb. 25) und ermöglichtdadurch eine Erweiterung des Anwen-

wegen der Sicherheitsvorschriften nurAnlagen mit Halogen-Kältemitteln vorbe-halten waren. Eine abschließende Beurtei-lung über den erweiterten Einsatz vonNH3-Kompaktsystemen – anstelle vonAnlagen mit HFKW-Kältemitteln und weit-gehend konventioneller Technik – ist nochverfrüht. Aus rein technischer Sicht undunter der Voraussetzung eines akzepta-blen Kostenniveaus, wird eine breitereAngebotspalette in absehbarer Zeit zuerwarten sein.

Das Produktionsprogramm von BITZERumfasst heute ein erweitertes Angebotan optimierten NH3-Verdichtern:# Einstufige, offene Hubkolbenverdich-

ter (Hubvolumen 19 bis 152 m3/h bei1450 min-1) für Klima-, Normalküh-lung und Booster-Einsatz

# Offene Schraubenverdichter (Fördervolumen 84 bis 535 m3/h – bei Parallelbetrieb bis 3200 m3/h –

bei 2900 min-1) für Klima-, Normal- und Tiefkühlung.

Optionen für Tiefkühlung:– einstufige Betriebsweise– Economiser-Betrieb– Booster-Einsatz

Umstellung bestehender Anlagen

Das Kältemittel NH3 eignet sich nicht fürdie Umstellung bestehender (H)FCKW-Anlagen; sie müssten mit allen Kompo-nenten völlig neu erstellt werden.

26


dungsbereichs hin zu höheren Druckver-hältnissen. Auf Basis thermodynamischerBerechnungen ergibt sich in der Kältelei-stung ein Anstieg im einstelligen Prozent-bereich gegenüber NH3. Die Leistungszahlliegt ähnlich und ist – experimentell bestä-tigt – bei hohen Druckverhältnissen sogargünstiger. Auf Grund des geringeren Tem-peraturniveaus bei der Verdichtung istdavon auszugehen, dass zumindest beiHubkolbenverdichtern mit zunehmendemDruckverhältnis auch ein verbesserter Liefer- und Gütegrad zu erwarten ist.

Bedingt durch das höhere Molekularge-wicht von DME steigen Massenstrom undDampfdichte gegenüber NH3 um nahezu50% an, was aber bei gewerblichen Anla-gen, zumal in Kurzkreislaufen, weniger vonBelang ist. In klassischen Großkälteanla-gen ist dies jedoch ein wesentliches Krite-rium, u.a. mit Blick auf Druckabfälle undKältemittelzirkulation. Auch aus dieserSicht wird deutlich, dass R723 bei gewer-blichen Anwendungen und insbesondereim Bereich von Flüssigkeitskühlsätzen sei-nen bevorzugten Einsatzbereich hat.

Die Materialverträglich ist mit NH3 gleichzu setzen. Obwohl unter der Vorausset-zung eines minimalen Wassergehalts (< 1000 PPM) im System auch Buntmetalle (z.B. CuNi-Legierungen, Bronzen, Hartlote)potentiell einsetzbar sind, empfiehlt sichdennoch eine Systemausführung entspre-chend typischer Ammoniak-Praxis.

Als Schmierstoffe können Mineralöle oder(bevorzugt) Polyalpha-Olefine zum Einsatzkommen. Wie zuvor erwähnt, bewirkt derDME-Anteil eine verbesserte Öllöslichkeitund partielle Mischbarkeit. Von positivemEinfluss auf die Ölzirkulation ist außerdemdie relativ niedrige Flüssigkeitsdichte undeine erhöhte Konzentration von DME imzirkulierenden Öl. PAG-Öle wären mitR723 zwar im üblichen Anwendungsbe-reich voll oder weitgehend mischbar, sindaber aus Gründen der chemischen Stabi-lität und hohen Löslichkeit im Ölsumpf desVerdichters (starke Dampfentwicklung inLagern) nicht zu empfehlen.

In Tests wurde auch nachgewiesen, dassdie Wärmeübergangskoeffizienten bei Ver-dampfung und hohen Wärmestromdichtenmit R723/Mineralöl-Systemen deutlichhöher liegen als mit NH3 und Mineralöl.

Zu den weiteren Eigenschaften gehörenToxizität und Brennbarkeit. Durch denDME-Anteil verringert sich die Zündgrenzein Luft von 15 auf 6%, dennoch bleibt dasAzeotrop in der Sicherheitsgruppe B2.


In der Anlagentechnik kann auf die Erfah-rungen mit den zuvor beschriebenen NH3-Kompaktanlagen zurückgegriffen werden.Allerdings sind Anpassungen in der Kom-ponentenauslegung unter Berücksichti-gung des höheren Massenstroms erfor-derlich. Dabei ist durch geeignete Aus-legung des Verdampfers und des Expan-sionsventils eine sehr stabile Überhitzungs-regelung sicherzustellen. Bedingt durchdie verbesserte Öllöslichkeit kann sich„Nassbetrieb“ deutlich negativer auswirkenals bei NH3-Systemen mit unlöslichem Öl.

Für Installation und Betrieb gelten hin-sichtlich Sicherheitsvorschriften die glei-chen Kriterien wie bei NH3-Anlagen.

Als Verdichter eignen sich spezielle NH3-Ausführungen, die jedoch ggf. an dieMassenstrombedingungen und den konti-nuierlich zirkulierenden Ölumlauf ange-passt werden müssen. Ein Ölabscheiderist bei Hubkolbenverdichtern meist nichterforderlich.

BITZER NH3-Hubkolbenverdichter sindprinzipiell für R723 geeignet. Eine indivi-duelle Auslegung von spezifisch ange-passten Verdichtern ist auf Anfragemöglich.

R290 (Propan) als Ersatz-stoff für R502 und R22

Als Ersatzkältemittel eignet sich auchR290 (Propan). Als organische Verbindung(Kohlenwasserstoff) hat es weder Ozonab-baupotenzial noch nennenswerten direk-ten Treibhauseffekt. Zu berücksichtigen istjedoch ein gewisser Beitrag zum Sommer-Smog.

Drucklagen und Kälteleistung sind ähnlichwie bei R22 und das Temperaturverhaltenso günstig wie mit R134a.

Es gibt keine besonderen Materialproble-me. Im Gegensatz zu NH3 eignen sichauch Kupferwerkstoffe, wodurch der Ein-satz von halbhermetischen und hermeti-schen Verdichtern möglich ist. Als Schmier-stoffe lassen sich in einem weiten Anwen-dungsbereich die in HFCKW-Systemenüblichen Mineralöle verwenden.

Kälteanlagen mit R290 sind weltweit seitvielen Jahren, vornehmlich im industriellenBereich, in Betrieb – es handelt sich umein „erprobtes“ Kältemittel.Inzwischen wird R290 auch in kleinerenKompaktsystemen (Klimageräte, Wärme-pumpen) mit geringerer Kältemittelfüllungverwendet. Es besteht außerdem ein stei-gender Trend zum Einsatz in gewerblichenKälteanlagen und Flüssigkeits-Kühlsätzen.

Propan wird auch im Gemisch mit Isobu-tan (R600a) oder Ethan (R170) angeboten.Damit soll eine im Leistungsverhalten guteÜbereinstimmung mit halogenierten Kälte-mitteln erreicht werden. Reines Isobutanwird überwiegend als Ersatz für R12 inKleinanlagen vorgesehen (u.a. in Kühl-schränken).

Der Nachteil von Kohlenwasserstoffenbesteht darin, dass sie leicht entflammbarund damit in Kältemittelgruppe A3 einge-stuft sind. Bei den in gewerblichen Sys-temen üblichen Kältemittel-Füllmengenbedeutet dies eine Ausführung des Sys-tems entsprechend Explosionsschutz-Bestimmungen.

Der Einsatz halbhermetischer Verdichter insog. „dauerhaft geschlossenen“ Systemenunterliegt in diesem Fall den Bedingungen für die Gefährdungszone 2 (nur selteneund kurzzeitige Gefährdung). Zu den sicher-heitstechnischen Anforderungen gehörendabei u.a. spezielle Schutzeinrichtungengegen Drucküberschreitung sowie Be-sonderheiten in Ausführung und Anord-nung elektrischer Betriebsmittel. Außer-dem sind Maßnahmen zu treffen, die imFalle eines Kältemittelaustritts eine ge-fahrlose Entlüftung gewährleisten, damitin keinem Fall ein zündfähiges Gasgemischentstehen kann.

Die Ausführungsbestimmungen sind inNormen festgelegt (z.B. Entwurf DIN7003, EN 378). Außerdem kann eine


27

Abb. 27 R290/R1270/R22 – Vergleich der Leistungsdaten eines halbhermetischen Verdichters

Abb. 28 R290/R1270/R22 – Vergleich der Drucklagen

Verh

ältn

is R

290

und

R12

70 z

u R

22 (=

100%

)

Verdampfung [˚C]

80

120

-40 0 10-30 -20 -10

90

110

100

Qo (R290)

COP (R1270)

COP (R290)

Qo (R1270)

tc 40˚Ctoh 20˚C

Dru

ck [

bar]

Temperatur [˚C]

1

25

0 60

6

15

4

10

20

-40 -20

2

4020

R22

R1270

R290

Ergänzende BITZER-Informationenzur Anwendung von R290

# Technische Information KT-660„Einsatz von Propan mit halbherme-tischen Hubkolbenverdichtern“

Bewertung entsprechend EU Rahmen-richtlinie 94/9/EG (ATEX) erforderlich wer-den. Bei offenen Verdichtern hat dies ggf.eine Zuordnung in Zone 1 zur Folge. Zone 1 bedingt allerdings elektrische Be-triebsmittel in spezieller Ex-Ausführung.


Abgesehen von den zuvor beschriebenenMaßnahmen erfordern Propananlagen imNormal- und Tiefkühlbereich nahezu keineBesonderheiten gegenüber üblichen(H)FCKW- und HFKW-Systemen. Bei derDimensionierung der Komponenten istjedoch der relativ niedrige Massenstromzu berücksichtigen (ca. 55 bis 60% imVergleich zu R22). Vorteilhaft ist in diesemZusammenhang auch die Möglichkeit zuwesentlich reduzierter Kältemittelfüllung.

Aus thermodynamischer Sicht ist ein inne-rer Wärmeaustauscher zwischen Saug-und Flüssigkeitsleitung zu empfehlen; Kälteleistung und Leistungszahl werdendadurch verbessert.

Durch die besonders gute Löslichkeit mitMineralölen kann es bei höheren Saug-drücken (Klimabereich) erforderlich wer-den, Öle mit schlechterem Mischungsver-

halten oder höherer Grundviskosität zuverwenden.

Auch in diesem Zusammenhang ist eininnerer Wärmeaustauscher von Vorteil. Er führt zu höheren Betriebstemperaturen,damit zu geringerer Löslichkeit mit derFolge verbesserter Ölviskosität.

Auf Grund des äußerst günstigen Tempe-raturverhaltens (Abb. 25) sind einstufigeVerdichter bis etwa -40°C Verdampfungs-temperatur einsetzbar. Damit wäre R290auch als direkter Ersatzstoff für R502 oderAlternative zu einigen HFKW-Gemischenanzusehen.

Für R290 steht auf Anfrage eine Palettehalbhermetischer Hubkolbenverdichterzur Verfügung. Wegen der besonderenAnforderungen ist jedoch eine spezif-sche Anpassung der Verdichterausfüh-rung erforderlich. Zusatzkennzeichnung„P “ – z.B. 4CC-9.2P.

Bei Anfragen und Bestellungen ist eindeutlicher Hinweis auf R290 erforder-lich. Die Auftragsabwicklung schließtaußerdem eine individuelle Vereinba-rung zwischen den Vertragspartnern ein.Offene Hubkolbenverdichter sind eben-

falls für R290 lieferbar. Dazu gehört einumfassendes Programm an eventuellerforderlichen ex-geschützten Zusatz-komponenten.

Umstellung bestehender FCKW-Anlagen

Bedingt durch die notwendigen Ex-Schutz-maßnahmen bei Einsatz von R290 er-scheint eine Umstellung bestehender An-lagen nur in Ausnahmefällen möglich.Sie beschränkt sich auf Systeme, die mitvertretbarem Aufwand den entsprechen-den Sicherheitsvorschriften angepasstwerden können.


28

Seit einiger Zeit wird auch zunehmend derEinsatz von Propylen (Propen) als R22-/R502-Substitut in Erwägung gezogen.Durch die – gegenüber R290 – höherevolumetrische Kälteleistung und eine tie-fere Siedetemperatur ist die Anwendungin Normal- und Tieftemperaturanlagen(z.B. in Flüssigkeitskühlsätzen für Super-märkte) von besonderem Interesse. Aller-dings sind höhere Drucklagen (>20%) undDruckgastemperaturen zu berücksichti-gen, die den Einsatzbereich wiederumeinschränken.

Die Materialverträglichkeit ist mit Propanvergleichbar, gleiches gilt auch für dieSchmierstoffauswahl.Propylen ist ebenfalls leicht entflammbarund gehört zur Kältemittelgruppe A3. Es gelten deshalb die gleichen Sicher-heitsbestimmungen wie für Propan (Seite 25).

Wegen der chemischen Doppelbindung ist Propylen relativ reaktionsfreudig, bei

Propylen (R1270) als Alternative zu Propan

hoher Druck- und Temperaturbelastungbesteht deshalb die Gefahr von Polymeri-sation. Untersuchungen bei Herstellern von Kohlenwasserstoffen und Stabilitäts-tests in realen Kreisläufen belegen jedoch,dass die Reaktivität in Kälteanlagen prak-tisch nicht vorhanden ist. Verschiedentlichwurden in der Literatur auch Bedenkenhinsichtlich der karzinogenen Wirkung vonPropylen geäußert. Durch entsprechendeStudien konnte diese Annahme jedochausgeräumt werden.


Für die Anlagentechnik lassen sich dieErfahrungen von Propan weitgehend über-tragen. Wegen der höheren volumetri-schen Kälteleistung (Abb. 27) ist jedocheine korrigierte Dimensionierung der Kom-ponenten erforderlich. Das Fördervolumendes Verdichters wird entsprechend kleinerund damit auch der saug- und hochdruck-seitige Volumenstrom. Durch die höhereDampfdichte ist der Massenstrom jedochnahezu identisch mit R290. Wegen annä-hernd gleicher Flüssigkeitsdichte gilt diesebenfalls für das zirkulierende Flüssig-keitsvolumen.

Wie bei R290 ist auch der Einsatz einesinneren Wärmetauschers zwischen Saug-und Flüssigkeitsleitung vorteilhaft. AufGrund der höheren Druckgastemperaturvon R1270 sind jedoch bei hohen Druck-verhältnissen teilweise Einschränkungennotwendig.

BITZER hat eine Reihe von Untersuchun-gen mit R1270 durchgeführt. Außerdemgibt es Erfahrungen beim Einsatz in rea-len Anlagen. Eine individuelle Verdichter-auslegung ist auf Anfrage möglich.


29

Abb. 29/1 R744(CO2) – Druck-/Enthalpie-Diagramm

200100 300 400 500 6000

20

40

60

80

100

120

140

160

Enthalpie [kJ/kg]

Dru

ck [b

ar]

31,06°C

2 Transkritischer Prozess

Unterkritischer Prozess

R744 (CO2)

Abb. 29/2 R744(CO2)/R22 – Vergleich der Drucklagen

Dru

ck [

bar]

Temperatur [˚C]

0

80

0 80

60

50

70

-60 4020

40

30

20

10

-40 -20 60

kritische Temperatur 31.06 ˚C

CO2

R404A

R22

perioden einen subkritischen Betrieberlauben. In diesem Zusammenhang istauch anzumerken, dass die Wärmeüber-gangswerte von CO2 wesentlich höhersind als bei anderen Kältemitteln – mitdem Potential sehr geringer Temperatur-differenzen in Verdampfern, Verflüssigernund Gaskühlern. Außerdem sind die erfor-derlichen Rohrleitungsquerschnitte sehrklein und der Einfluss des Druckabfallsvergleichsweise gering. Bei Einsatz alsSekundärfluid ist zudem der Energiebe-darf für Umwälzpumpen äußerst niedrig.

In den folgenden Ausführungen werdenzunächst einige Beispiele für subkritischeSysteme und die resultierenden Aus-legungskriterien behandelt. In einem zu-sätzlichen Abschnitt folgen noch Erläute- rungen zu transkritischen Anwendungen.

Subkritische Anwendung

Eine auch aus energetischer Sicht undhinsichtlich Drucklagen sehr vorteilhafteAnwendung bietet sich für industrielle undgrößere gewerbliche Kälteanlagen an.Hierfür kann CO2 als Sekundärfluid ineinem Kaskadensystem verwendet wer-den – bei Bedarf in Kombination mit einerweiteren Verdichtungsstufe für tiefere Ver-dampfungstemperaturen (Abb. 30/1).

Kohlendioxyd R744 (CO2)als Alternativ-Kältemittelund Sekundär-Fluid

CO2 hat eine lange Tradition in der Kälte-technik, die bis weit ins vorletzte Jahr-hundert reicht. Es hat kein Ozonabbau-potenzial, einen vernachlässigbaren direk-ten Treibhauseffekt (GWP = 1), ist che-misch inaktiv, nicht brennbar und imklassischen Sinne nicht toxisch. CO2unterliegt deshalb auch nicht den strin-genten Anforderungen hinsichtlich Anla-gendichtheit wie z.B. HFKWs (F-Gasever-ordnung) und brennbare oder toxischeKältemittel. Zu berücksichtigen ist jedochder im Vergleich zu HFKWs geringereGrenzwert in Luft. In geschlossenen Räu-men können entsprechende Sicherheits-und Überwachungseinrichtungen erforder-lich werden.

CO2 ist auch kostengünstig und es gibtkeine Notwendigkeit zur Rückgewinnungund Entsorgung. Hinzu kommt eine sehrhohe volumetrische Kälteleistung, die jenach Betriebsbedingungen etwa dem 5-bis 8-fachen von R22 und NH3 entspricht.

Vor allem die sicherheitsrelevanten Eigen-schaften waren ein wesentlicher Grund für

den anfangs weit verbreiteten Einsatz.Schwerpunkt in der Anwendung warenz.B. Schiffs-Kälteanlagen. Mit Einführungder „Sicherheitskältemittel“ wurde CO2zurückgedrängt und war seit den 50er-Jahren nahezu vom Markt verschwunden.

Wesentliche Ursachen sind die für üblicheAnwendungen in der Kälte- und Klima-technik relativ ungünstigen thermodyna-mischen Eigenschaften.

Die Drucklage von CO2 ist extrem hochund die kritische Temperatur mit 31°C (74 bar) sehr niedrig. Je nach Wärmeträ-gertemperatur auf der Hochdruckseiteerfordert dies eine transkritische Betriebs-weise mit Drücken bis weit über 100 bar.Unter diesen Bedingungen ist die Wirt-schaftlichkeit gegenüber einem klassi-schen Kaltdampfprozess (mit Verflüssi-gung) meist geringer und damit der indi-rekte Treibhauseffekt entsprechend höher.

Dennoch gibt es eine Reihe von Anwen-dungen, bei denen CO2 sehr wirtschaftlichund mit günstiger Öko-Effizienz einge-setzt werden kann. Dazu gehören z.B.subkritisch betriebene Kaskadenanlagen,aber auch transkritische Systeme, beidenen der Temperaturgleit auf der Hoch-druckseite vorteilhaft nutzbar ist oder dieSystembedingungen über lange Betriebs-

30


Die Betriebsweise ist jeweils subkritischund damit auch eine gute Wirtschaftlich-keit gewährleistet. Im dafür günstigenAnwendungsbereich (ca. -10 bis -50°C)sind auch die Drucklagen noch auf einemNiveau, für das bereits verfügbare oder inEntwicklung befindliche Komponenten(z.B. für R410A) mit vertretbarem Aufwandangepasst werden können.

Resultierende Auslegungs- undAusführungskriterien

Für die Hochtemperaturstufe einer sol-chen Kaskade lässt sich ein kompakterKühlsatz verwenden, dessen Verdampferauf der Sekundärseite als Verflüssiger für CO2 dient. Als Kältemittel eignen sichchlorfreie Stoffe (NH3, KW oder auchHFKW).

Bei NH3 sollte der Kaskadenkühler soausgeführt werden, dass die gefürchteteBildung von Hirschhornsalz im Falle derLeckage verhindert wird. In Brauereienwird diese Technik seit langem eingesetzt.

In Großkälteanlagen entspricht der Sekun-därkreis für CO2 in seinem prinzipiellenAufbau weitgehend einem Niederdruck-Pumpensystem, wie es häufig bei NH3-Systemen ausgeführt wird. Der wesentli-

che Unterschied besteht darin, dass dieVerflüssigung des CO2 im Kaskadenkühlererfolgt und der Sammelbehälter (Abschei-der) nur als Vorratsbehälter dient.

Die äußerst hohe volumetrische Kältelei-stung von CO2 (latente Wärme durch Pha-senwechsel) führt dabei zu einem sehrgeringen Massenstrom und ermöglichtkleine Rohrquerschnitte und minimalenEnergiebedarf für die Umwälzpumpen.

Bei der Kombination mit einer weiterenVerdichtungsstufe (z.B. für Tiefkühlung)gibt es verschiedene Lösungen.

Abb. 30/1 zeigt eine Variante mit zusätzli-chem Sammler, der von einem oder meh-reren Booster-Verdichtern auf den erfor-derlichen Verdampfungsdruck abgesaugtwird. Das Druckgas wird ebenfalls in denKaskadenkühler eingespeist, verflüssigtund in den nachgeschalteten Sammlerabgeleitet. Von dort aus erfolgt die Ein-speisung in den Niederdruckabscheider(TK) über eine Schwimmereinrichtung.

An Stelle klassischer Pumpenzirkulationkann die Booster-Stufe auch als sog.LPR-System (Low Pressure Receiver) ausgeführt sein. Dadurch erübrigen sichUmwälzpumpen, wobei aber die Anzahlder Verdampfer mit Rücksicht auf eine

gleichmäßige Einspritzverteilung des CO2stärker eingeschränkt ist.

Für den Fall eines längeren Anlagenaus-falls mit starkem Druckanstieg kann dasCO2 über Sicherheitsventile an die Atmos-phäre abgelassen werden. Alternativ hierzuwerden auch zusätzliche Kühlsätze zurCO2 Verflüssigung verwendet, mit denenlängere Abschaltperioden ohne kritischeDruckerhöhung überbrückt werden können.

Für Systeme in gewerblichen Anwendun-gen ist auch eine Ausführung mit Direkt-Expansion möglich.

Hierfür bieten Supermarktanlagen mitihrem üblicherweise weit verzweigtenRohrnetz und Schockfroster ein beson-ders gutes Potential. Das Normalkühl-system wird dann konventionell odermittels Sekundärkreislauf ausgeführt undfür die Tiefkühlung mit einem CO2-Kaska-densystem (für unterkritische Betriebs-weise) kombiniert. Ein Systembeispiel istin Abb. 30/2 dargestellt.

Für eine allgemeine Anwendung sind aller-dings derzeit noch nicht alle Vorausset-zungen erfüllt. Es gilt zu berücksichtigen,dass eine in vielfacher Hinsicht veränderteAnlagentechnik und auch speziell abge-stimmte Komponenten erforderlich werden.

Abb. 30/2 Konventionelle Kälteanlage kombiniert mit CO2-Tiefkühlkaskade

CO Kaskade2HFKW (NH3 / KW)*

* nur mit Sekundärkreislauf

Abb. 30/1 Kaskadensystem mit CO2 für industrielle Anwendung

CO2

TK NK

LC

PC

CPR

NK TK

NH3 / KW /HFKW

VereinfachteDarstellung


31


Transkritische Anwendung

Der transkritische Prozess ist u.a. dadurchcharakterisiert, dass die Wärmeabfuhr aufder Hochdruckseite isobar, aber nicht iso-therm verläuft. Im Gegensatz zum Verflüs-sigungsvorgang bei unterkritischem Be-trieb erfolgt hierbei eine Gaskühlung(Enthitzung) mit entsprechendem Tempe-raturgleit. Der Wärmeaustauscher wirddeshalb als Gaskühler bezeichnet. Solan-ge der Betrieb oberhalb des kritischenDrucks (74 bar) erfolgt, wird nur Dampfhoher Dichte gefördert. Eine Verflüssigungstellt sich erst nach Expansion auf ein

niedrigeres Druckniveau ein – z.B. durchZwischenentspannung in einen Mittel-drucksammler. Je nach Temperaturverlaufder Wärmesenke kann ein für transkriti-schen Betrieb ausgelegtes System auchsubkritisch und unter diesen Bedingun-gen mit verbessertem Wirkungsgrad be-trieben werden. In diesem Fall wird derGaskühler zum Verflüssiger.

Eine weitere Besonderheit des transkriti-schen Betriebs ist die notwendige Rege-lung des Hochdrucks auf ein definiertesNiveau. Dieser „optimale Druck“ wird inAbhängigkeit von der Austrittstemperaturdes Gaskühlers durch Bilanzierung zwi-schen größt möglicher Enthalpiedifferenzbei gleichzeitig minimaler Verdichtungsar-beit ermittelt. Er muss durch eine intelli-gente Steuerung modulierend an die je-weiligen Betriebsbedingungen angepasstwerden (siehe Systembeispiel, Abb. 31).

Wie eingangs beschrieben, erscheint dietranskritische Betriebsweise bei rein ther-modynamischer Betrachtung hinsichtlichEnergie-Effizienz eher ungünstig. Diestrifft auch tatsächlich auf Systeme miteinem relativ hohen Temperaturniveau der Wärmesenke auf der Hochdruckseitezu. Allerdings können dabei zur Effizienz-verbesserung zusätzliche Maßnahmen getroffen werden wie z.B. der Einsatz von Expandern, Injektoren und Econo-miser-Systemen.

Abgesehen davon gibt es Einsatzgebiete,bei denen der transkritische Prozess ener-getisch generell vorteilhaft ist. Dazu gehö-ren z.B. Wärmepumpen für Brauchwasser-Erwärmung oder Trocknungsprozesse. Bei den üblicherweise sehr hohen Tempe-raturgradienten zwischen Druckgaseintrittin den Gaskühler und Eintrittstemperaturder Wärmesenke kann eine sehr niedrigeGasaustrittstemperatur erreicht werden.Begünstigt wird dies durch den Verlaufdes Temperaturgleit und die relativ hohemittlere Temperaturdifferenz zwischenCO2-Dampf und Wärmeträger-Fluid. Dieniedrige Gasaustrittstemperatur führt zueiner besonders hohen Enthalpiedifferenzund damit zu einer hohen System-Leis-tungszahl.

Brauchwasser-Wärmepumpen kleinererLeistung werden bereits in hohen Stück-zahlen produziert und eingesetzt. Anlagenfür mittlere bis größere Leistungen (z.B.Hotels, Schwimmbäder) befinden sichnoch in der Entwicklungs- und Einfüh-rungsphase.Neben diesen spezifischen Anwendungengibt es auch eine Reihe von Entwicklun-gen für die klassischen Bereiche derKälte- und Klimatechnik. Hierzu gehörenz.B. Supermarkt-Kälteanlagen. Inzwischenwurden nach umfangreichen Labortestsreale Anlagen mit Verdichtern im Parallel-verbund eingesetzt. Die Betriebserfahrun-gen und dort ermittelten Energiekostenzeigen vielversprechende Ergebnisse.Allerdings liegen die Investitionskostennoch deutlich über klassischen Anlagenmit HFKWs und Direktverdampfung.

Gründe für die günstigen Energiekostenliegen einerseits an den bereits weitge-hend optimierten Komponenten und derSystemsteuerung sowie den zuvor be-schriebenen Vorteilen hinsichtlich Wärme-übertragung und Druckabfall. Andererseitssind diese Anlagen meist in Klimazoneneingesetzt, die auf Grund des jahreszeitli-chen Temperaturprofils sehr hohe Lauf-zeiten bei subkritischer Betriebsweiseerlauben.

Insofern, aber auch mit Blick auf die sehranspruchsvolle Technik und die hohenAnforderungen an die Qualifikation vonPlanern und Service-Fachleuten, kann die CO2-Technologie nicht pauschal alsErsatz für Anlagen mit HFKW-Kältemittelnangesehen werden.


Detaillierte Informationen hierzu würdenden Rahmen dieser Informationsschriftsprengen. Jedenfalls unterscheiden sichSystemtechnik und -Steuerung wesentlichvon üblichen Anlagen. Bereits mit Blickauf Drucklagen, Volumen- und Massen-stromverhältnisse müssen speziell entwik-kelte Komponenten, Regelgeräte undSicherheitseinrichtungen sowie entspre-chend ausgelegte Rohrleitungen verwen-det werden.

Ergänzende BITZER-Information zurVerdichterauswahl für subkritischeCO2-Systeme

# Prospekt KP-120 CO2-Verdichter für subkritischeAnwendungen

# Weitere Publikationen auf Anfrage

So müssen z.B. die Verdichter wegen deshohen Dampfdichte- und Druckniveaus(insbesondere auf der Saugseite) speziellausgelegt werden. Besondere Anforde-rungen bestehen auch hinsichtlich derWerkstoffe; außerdem darf nur hochgra-dig getrocknetes CO2 zum Einsatz kom-men.

Auch die Schmierstoffe sind sehr hohenAnforderungen ausgesetzt. KonventionelleÖle sind meist nicht mischbar und erfor-dern deshalb aufwändige Maßnahmen fürdie Rückführung aus dem System. Ande-rerseits ist beim Einsatz mischbarer bzw.gut löslicher POE eine starke Viskositäts-minderung zu berücksichtigen.

Weiterer Entwicklungsaufwand ist erfor-derlich – auch im Hinblick auf technischeRegeln und Normen.

Für subkritische CO2 Anwendungenbietet BITZER bereits eine umfassendeBaureihe spezieller Verdichter an.

32


CO2 in Kfz-Klimaanlagen

Im Rahmen der bereits seit längerem dis-kutierten Maßnahmen zur Reduzierungvon direkten Kältemittel-Emissionen unddem bevorstehenden Verwendungsverbotvon R134a in PKW-Klimaanlagen*, wirdbereits seit Jahren die Entwicklung vonCO2-Systemen sehr intensiv betrieben.

Auf den ersten Blick erscheinen Effizienzund damit indirekte Emissionen von CO2-Systemen bei den typischen Umgebungs-bedingungen vergleichweise ungünstig.Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dassdie aktuellen R134a-Systeme geringereWirkungsgrade aufweisen als leistungs-gleiche stationäre Anlagen. Gründe dafür * Weitere Informationen hierzu siehe Seite 11.

Gas-Kühler

Verdampfer

TXV

(HX)

Verdichter

Hochdruck-Regelventil

Flüssigkeits -Sammler(Mitteldruck)

liegen in den spezifischen Einbauverhält-nissen und den relativ hohen Druckverlu-sten in Rohrleitungen und Wärmeaustau-schern. Bei CO2 hat der Druckabfall einenwesentlich geringeren Einfluss. Außerdemwird der Systemwirkungsgrad noch zu-sätzlich durch die hohen Wärmeüber-gangswerte in den Wärmeaustauschernbegünstigt.

Aus diesem Grund können mit optimiertenCO2-Klimaanlagen in etwa vergleichbareWirkungsgrade erreicht werden wie mitR134a. Mit Blick auf die üblichen Leckratensolcher Systeme ergibt sich dabei einegünstigere Bilanz hinsichtlich des TEWI.

Aus heutiger Sicht ist noch keine Progno-se darüber möglich, ob sich die CO2Technologie in dieser Anwendung kurz-bis mittelfristig etablieren kann.Dies ist sicherlich auch von den Erfahrun-gen mit „Low GWP“ Kältemitteln (Seite 11)abhängig. Dabei werden u.a. Betriebs-sicherheit, Kosten und die weltweite Logis-tik eine gewichtige Rolle spielen.

Abb. 31 Beispiel für transkritisches CO2-System

Ergänzende BITZER-Information zurVerdichterauswahl für transkritischeCO2-Systeme

# Prospekt KP-130CO2-Verdichter für transkritischeAnwendungen

# Weitere Publikationen auf Anfrage

Besonders anspruchsvoll ist die Verdich-tertechnik. Die besonderen Anforderungenbedingen eine vollkommen eigenständigeKonstruktion. Dies betrifft u.a. Design,Materialien (Berstsicherheit), Fördervolu-men, Triebwerk, Auslegung der Arbeits-ventile, Schmiersystem sowie Verdichter-und Motorkühlung. Die hohe thermischeBelastung schränkt dabei den Einsatzbe-reich für einstufige Verdichtung stark ein.Tiefkühlung erfordert zweistufige Be-triebsweise, wobei eine Aufteilung in ge-trennte Hoch- und Niederdruckverdichterbei Verbundsystemen besonders vorteil-haft ist. Für die Schmierstoffe gelten in noch stärkerem Maße die zuvor im Zusammen-hang mit unterkritischen Systemen be-schriebenen Kriterien.

In vielen Bereichen ist noch Entwicklungs-aufwand erforderlich, transkritische CO2-Technologie kann bei den meisten An-wendungen noch nicht als Stand derTechnik bezeichnet werden.

Für transkritische CO2 Anwendungenbietet BITZER bereits eine weit reichendePalette spezieller Verdichter an.Der Einsatz ist auf bestimmte Anwendun-gen ausgerichtet, individuelle Prüfung undBewertung sind deshalb erforderlich.


Abb. 32 R13B1/HFKW-Alternativen – Vergleich der Druckgastemperaturen eines 2-stufigen Verdichters

Dru

ckga

stem

pera

tur –

rela

tiver

Unt

ersc

hied

zu

R13

B1

[K]40

30

20

10

0

-10

-30

-20

Basis R13B1

R41

0A

ISC

EO

N M

O89

totc#toh

-70°C40°C20K

Durch mehrjährigen Einsatz in realenAnlagen konnte die Eignung der BITZER-Verdichter mit R124 undR142b nachgewiesen werden. Je nachAnwendungsbereich und Verdichter-bauart sind jedoch Anpassungsmaß-nahmen erforderlich. Leistungsdatensowie weitere Ausführungshinweisesind auf Anfrage erhältlich.

R124 und R142b als Ersatzstoffe fürR114 und R12B1

An Stelle der früher in Hochtemperatur-Wärmepumpen und Kranklimaanlagenverwendeten Kältemittel R114 und R12B1können zumindest in Neuanlagen dieHFCKW R124 und R142b als Alternativeneingesetzt werden. Dabei ist auch derBetrieb mit langjährig erprobten Schmier-stoffen möglich – vorzugsweise Mineralöleund Alkylbenzole hoher Viskosität.Wegen des Ozongefährdungspotenzialsist der Einsatz nur als Übergangslösunganzusehen (in EU-Mitgliedstaaten ist derEinsatz in Neuanlagen nicht mehr erlaubt).Zu berücksichtigen ist auch die Brennbar-keit des R142b und die daraus resultie-renden Sicherheitsauflagen (Kältemittel-gruppe A2).

Resultierende Auslegungskriterien /Umstellung bestehender Anlagen

Mit Siedetemperaturen im Bereich vonetwa -10°C ergeben sich jeweils größereDifferenzen in Drucklage und spezifischerKälteleistung, vor allem im Vergleich zuR114. Damit ist auch der Anwendungsbe-reich zu höheren Verdampfungs- und Ver-flüssigungstemperaturen stärker einge-schränkt.

Eine Umrüstung bestehender Anlagenbedingt meist den Austausch von Verdich-ter und Regelgeräten. Wegen des geringe-ren Volumenstroms (höhere spezifischeKälteleistung) kann auch eine Anpassungdes Verdampfers und der Saugleitungerforderlich werden.

Chlorfreie Ersatzstoffe für Sonderanwendungen

Alternativen für R114 und R12B1

Wegen des relativ begrenzten Marktes fürSysteme in Hochtemperatur-Anwendun-gen und im Extra-Tieftemperaturbereich,wurde die Entwicklung von Alternativ-Käl-temitteln und Systemkomponenten fürdiese Gebiete mit weniger Nachdruckbehandelt.

Inzwischen wurde eine Reihe von Alterna-tiven für die FCKW bzw. Halone R114 undR12B1 (Hochtemperatur) sowie R13B1,R13 und R503 (Extra-Tieftemperatur) an-geboten.

Bei näherer Betrachtung stellt sich jedochheraus, dass die thermodynamischenEigenschaften der Alternativen zum Teilbeträchtlich von den bisher verwendetenStoffen abweichen. Dadurch werden viel-fach aufwändige Änderungen erforderlich;dies gilt speziell für die Umrüstung beste-hender Anlagen.

Als derzeit aussichtsreichste Substitutegelten R227ea und R236fa.

R227ea ist nicht als vollwertiger Ersatzanzusehen. Bisher durchgeführte Untersu-chungen und Feldtests zeigen zwar güns-tige Resultate, mit einer kritischen Tempe-ratur von 102°C ist die Verflüssigungs-temperatur aber bei üblicher Anlagentech-nik auf 85..90°C begrenzt.

R236fa bietet zumindest in dieser Hinsichtgünstigere Voraussetzungen – die kriti-sche Temperatur liegt oberhalb 120°C.Nachteilig ist jedoch die geringere volu-metrische Kälteleistung. Sie liegt ähnlichwie bei R114 und damit etwa 40% nied-riger als mit dem derzeit für Hochtempe-ratur-Anwendungen weit verbreitetenR124.

Inzwischen wurde auch ein azeotropesGemisch aus R365mfc und einem Per-fluorpolyether entwickelt. Es wird unterdem Handelsnamen Solkatherm SES36(Solvay) angeboten. Die Siedetemperatur(1.013 bar) liegt bei 36,7°C, die kritischeTemperatur bei 177,4°C. Bevorzugter An-

Sonderanwendungen

33

34

Sonderanwendungen

wendungsbereich sind demnach Wärme-pumpen in der Prozesstechnik und Syste-me zur Kraft-Wärme-Kopplung (ORC).

Falls Sicherheitsvorschriften den Einsatzvon Kohlenwasserstoffen (Sicherheits-gruppe A3) erlauben, wäre R600a (Isobu-tan) eine besonders interessante Alternati-ve. Mit einer kritischen Temperatur von135°C sind Verflüssigungstemperaturenvon 100°C und mehr zu erreichen. Dievolumetrische Kälteleistung ist mit R124ziemlich identisch.

Als potentieller Kandidat für Hochtempe-ratur-Anwendungen ist auch das „LowGWP” Kältemittel HFO-1234ze einzustu-fen. Im Vergleich zu R124 ist die Kälteleis-tung zwischen 10 und 20% höher und dieDrucklage um ca. 25%. Bei identischerKälteleistung ist der Massenstrom nurgeringfügig unterschiedlich. Die kritischeTemperatur liegt bei 107°C, damit wäreein wirtschaftlicher Betrieb bis ca. 90°CVerflüssigungstemperatur möglich. HFO-1234ze ist jedoch – wie HFO-1234yf –mäßig entflammbar und wird deshalb vor-aussichtlich unter der neuen Sicherheits-gruppe A2L eingestuft werden. Die ein-schlägigen Sicherheitsvorschriften sind zubeachten.Bisher liegen allerdings keine ausreichen-den Betriebserfahrungen vor, eine Bewer-tung über die Eignung dieses Kältemittelsim langjährigen Einsatz ist deshalb nochnicht möglich.

Neben R410A gilt auch ISCEON MO89(DuPont) als potenzielles R13B1-Substi-tut. Mit R410A ist eine im Vergleich zuR13B1 wesentlich höhere Druckgastem-peratur zu berücksichtigen, die den An-wendungsbereich selbst bei 2-stufigerVerdichtung stärker eingeschränkt.

Bei ISCEON MO89 handelt es sich um einGemisch aus R125 und R218 mit einemgeringen Anteil von R290. Bedingt durchdie Eigenschaften der beiden Hauptkom-ponenten sind Dichte sowie Massenstromrelativ hoch und die Druckgastemperatur

Alternativen für R13B1

Alternativen für R13 und R503

Bei diesen Stoffen ist die Situation nochrelativ günstig, sie können durch R23 undR508A/R508B ersetzt werden. Ebenfallsgeeignet wäre R170 (Ethan), falls dieSicherheitsvorschriften eine brennbareSubstanz (Sicherheitsgruppe A3) erlauben.

Wegen des teilweise steileren Druckver-laufs der Alternativ-Kältemittel und einerhöheren Druckgastemperatur von R23gegenüber R13 sind Leistungsunterschie-de und Einschränkungen im Anwendungs-bereich der Verdichter zu berücksichtigen.Zudem wird eine individuelle Anpassungder Wärmeaustauscher und Regelkompo-nenten erforderlich.

Als Schmierstoffe für R23 und R508A/Beignen sich Polyol-Ester, die jedoch aufdie besonderen Anforderungen im Tief-temperaturbereich abgestimmt sein müs-sen.

R170 hat auch mit konventionellenSchmierstoffen eine gute Löslichkeit.Allerdings sind auch hier entsprechendeAnpassungen an die Temperaturbedin-gungen nötig.

sehr niedrig. Als besonders vorteilhafterweist sich Flüssigkeitsunterkühlung.

Beide Kandidaten haben relativ hoheDrucklagen, weshalb die zulässige Ver-flüssigungstemperatur auf 40…45°Cbegrenzt ist. Außerdem zeigen sich beiVerdampfungstemperaturen unterhalb -60°C größere Minderleistungen gegen-über R13B1. Dabei schränkt auch der steilere Druck-verlauf die Anwendung bei sehr niedrigenTemperaturen erheblich ein und bedingteventuell den Umstieg auf ein Kaskaden-system mit R23 oder R508A/B in der Tieftemperaturstufe.

Schmierstoffe und Materialverträglichkeitsind ähnlich zu bewerten wie bei anderenHFKW-Gemischen.

BITZER hat bereits mit einer Reihe derzuvor behandelten Substitute entspre-chende Untersuchungen durchgeführtund Erfahrungen gesammelt – Leistungs-daten und Ausführungshinweise sindauf Anfrage erhältlich.Wegen der in diesen Sonderbereichensehr individuellen Anlagentechnik, istjedoch jeweils eine direkte Abstimmungmit BITZER erforderlich.

36

Zeithorizont 100 Jahre – gemäßIPCC III (2001) $ Referenzdaten in EN378-1:2008, Anhang E– auch Basis für EU Verordnung 842/2006

N/A Daten derzeit nicht verfügbar.

Alternativkältemittel hat größere Abweichungen in Kälteleistung und Drucklagen

Alternativkältemittel hat größere Abweichungen unterhalb -60°C Verdampfungstemperatur

Ebenfalls vorgesehen als Komponente in R290/600a-Blends (direkte R12-Alternative)Einteilung nach EN378-1 bzw. ASHRAE 34

gemäß EN 378-1, Anhang E

0,0550,0220,065

0,0370,040,048

0,0210,0330,0310,026

0

0

0

17006202400

113012201540

2690231043103020

130012034004300550

35009400

12000

37803850199017053040

1680

165022402920262020102150

1980

N/A

1194011950

08333

3

1

R22R124R142b

R401AR401BR409A

R402A R402BR403BR408A

R134aR152aR125R143aR32

R227eaR236fa

R23

R404AR507A R407AR407FR422A

R437A

R407CR417AR417BR422DR427AR438A

R410A

ISCEON MO89

R508AR508B

R717R723R600aR290R1270

R170

R744

Zusammen-setzung(Formel)

Ersatzfür

ODP

[R11=1,0]

GWP(100a)

[CO2=1,0]

PraktischerGrenzwert

[kg/m3]

Sicherheits-gruppe

Anwendungs-bereich

5

HFCKW/HFKW Service-Gemische (Übergangs-Alternativen)

HFKW – chlorfreie – Kältemittel (langfristige Alternativen)

HFKW – chlorfreie – Gemische (langfristige Alternativen)

Halogenfreie Kältemittel (langfristige Alternativen)

0,30,110,066

0,30,340,16

0,330,320,410,41

0,250,0270,390,0560,061

0,590,59

0,68

0,520,530,330,290,29

0,08

0,310,150,070,260,280,08

0,44

N/A

0,230,2

0,00035N/A

0,0110,0080,008

0,008

0,07

A1A1A1

A1A1A1

A1A1A1A1

A1A2A1A2A2

A1A1

A1

A1A1A1A1A1

A1

A1A1A1A1A1A1

A1

N/A

A1A1

B2B2A3A3A3

A3

A1

09.10

CHClF2CHClFCF3CCIF2CH3

R22/152a/124R22/152a/124R22/142b/124

R22/125/290R22/125/290R22/218/290R22/143a/125

CF3CH2FCHF2CH3CF3CHF2CF3CH3CH2F2

CF3-CHF-CF3CF3-CH2-CF3

CHF3

R143a/125/134aR143a/125R32/125/134aR32/125/134aR125/134a/600a

R125/134a/600/601

R32/125/134aR125/134a/600R125/134a/600R125/134a/600aR32/125/143a/134aR32/125/134a/600/601a

R32/125

R125/218/290

R23/116R23/116

NH3NH3/R-E170C4H10C3H8C3H6

C2H6

CO2

R502 (R12 )

R114 , R12B1

R12 (R500)

R12 (R500)

R502

R13 (R503)

R503

R22 (R13B1 )

R22

R22 (R502)

R22 (R502)R22 (502)R114, R12B1R22 (R502)R22 (R502)

R13, R503

Diverse

R12B1, R114R114

R12 (R22 )

vorzugsweise als Gemisch-Komponenten

sieheSeite 38

sieheSeite 38

sieheSeite 38

sieheSeite 38

sieheSeite 39

R13B1

Kältemittel

HFCKW-Kältemittel

3

3

4

5

6

5 6

4

5

1

1

1

1

1

1

2

2

2

Kältemitteldaten

Die Angaben in Abb. 33 und 34 gelten unter Vorbehalt; sie basieren auf Veröffentlichungen verschiedener Kältemittelhersteller.Abb. 33 Eigenschaften von FCKW-Alternativen (Fortsetzung siehe Abb. 34)

37

-41-11-10

-33-35-34

-49-47-51-44

-26-24-48-48-52

-16-1

-82

-47-47-46-46-49

-33

-44-39-45-45-43-42

-51

-55

-86-88

-33-37-12-42-48

-89

-57

Kältemitteldaten

Gültig für einstufige Verdichter

Daten auf Anfrage unter Angabe der Betriebsbedingungen

Tripelpunkt bei 5,27 bar

Genannte Leistungsdaten sind Durchschnitts-werte aus Kalorimeter-Messungen.

Gerundete Werte

Gesamt-Gleit von Siede- bis Taulinie – bezogen auf 1 bar (abs.). Realer Temperaturgleit ist abhängig von Betriebsbedingungen.Etwaige Werte im Verdampfer:H/M 70%; L 60% des Gesamt-Gleit

Referenz-Kältemittel für genannte Werte siehe Abb. 33 unter der Bezeichnung „Ersatz für“ (3. Spalte)Buchstabe in Klammern benennt Betriebsbedingungen:H Klima (+5/50°C)M Normalkühlung (-10/45°C)L Tiefkühlung (-35/40°C)

R22R124R142b

R401AR401BR409A

R402A R402BR403BR408A

R134aR152aR125R143aR32

R227eaR236fa

R23

R404AR507A R407AR407FR422A

R437A

R407CR417AR417BR422DR427AR438A

R410A

ISCEON MO89

R508AR508B

R717R723R600aR290R1270

R170

R744

HFCKW/HFKW Service-Gemische (Übergangs-Alternativen)

HFKW – chlorfreie – Kältemittel (langfristige Alternativen)

HFKW – chlorfreie – Gemische (langfristige Alternativen)

Halogenfreie Kältemittel (langfristige Alternativen)

09.10

Abb. 34 Eigenschaften von FCKW-Alternativen

Kältemittel

HFCKW-Kältemittel

3

3

4

5

6

6

1

2

Siede-temperatur

[°C]

Temperatur-gleit[K]

KritischeTemperatur

[°C]

Verfl. Temp.bei 26 bar(abs) [°C]

Kälte-Leistung

[%]

Druckgas-temperatur

[K]

Schmierstoff(Verdichter)

1 2 1 1 3 3

000

6,46,08,1

2,02,31,20,6

00000

00

0

0,70

6,66,42,5

3,6

7,45,6 3,44,57,16,6

<0,2

4,0

00

00000

0

0

96122137

108106107

75839083

101113667378

102>120

26

7371838372

95

878775818780

72

70

1314

1331311359792

32

31

63105110

807775

53565458

8085515642

96117

1

5554565756

75

586858626463

43

50

-3-3

60581147061

3

-11

80 (L)

107 (M)108 (L)

109 (M)

109 (L)99 (L)

112 (L)98 (L)

97 (M)N/AN/AN/AN/A

105 (M)107 (M)98 (M)

104 (M)100 (M)

108 (M)

100 (H)97 (H)95 (M)90 (M)90 (M)88 (M)

140 (H)

100 (M)105 (M)

N/A 89 (M)

112 (M)

+35

+13+18+7

~0+16~0+10

-8N/AN/AN/AN/A

-34-34-19-11-39

-7

-8-25-37-36-20-27

-4

+60+35N/A-25-20

sieheSeite 39

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5 5

4 4

5

5 5

38

-100-80-60-40-2002040

R124 % R142b

R401A % R409A

R401B

R22

R402B

R402A % R403B % R408A

Verdampfung °CEinsatz unter Einschränkungen

2-stufig

2-stufig

Verdampfung °C-100-80-60-40-2002040

R227ea % R236fa

R134a

R407C % R417A

R410A

R23 % R508A % R508B

Verflüssigungstemperatur eingeschränktEinsatz unterEinschränkungen

Verdichter für Hochdruck 42 bar

KASKADE

2-stufig

2-stufig

2-stufig

1

2

ISCEON MO89

R437A

R404A % R507A

R407A % R407F % R417BR422A % R422D % R427A % R438A

12

22

Übergangs- / Service-Kältemittel

Abb. 35 Anwendungsbereiche von HFCKWs und Service-Kältemitteln

Chlorfreie HFKW-Kältemittel und Gemische

Abb. 36 Anwendungsbereiche von (H)FKW-Kältemitteln (ODP = O)

Anwendungsbereiche

39

R290 % R1270

-100-80-60-40-2002040

R600a

R170

Verdampfung °C

NHR723*

3

CO2

Einsatz unter Einschränkungen

KASKADE

2-stufig

– siehe Seiten 29...32 –

2-stufig

2-stufig

* siehe Informationen auf Seiten 25/26

(H)FCKW

NH % R7233

Service-Gemische mit R22

HFKW + Gemische

Kohlenwasserstoffe

Traditionelle Öle Neue Schmierstoffe

VG VG VG

+VG

+VG

Min

eral

öl

Alk

ylbe

nzol

Min

eral

öl +

Alk

ylbe

nzol

Pol

y-A

lpha

-

Ole

fin (P

AO

)

Este

r (P

OE)

Pol

y-

Alk

ylen

-G

lyko

l (PA

G)

hydr

iert

es

VG

Besonders kritisch bei Feuchtigkeit

Eventuell höhere Basis-Viskosität

Gute Eignung

Einsatz unter Einschränkungen Nicht geeignet

Pol

yvin

yl-

Ethe

r-Ö

l

(PVE

)

(MO

)

(AB

)

Pol

yol-

Min

eral

öl

Weitere Informationen siehe Seiten 10/11 sowie Erläuterungen zu den einzelnen Kältemitteln

VG VG

Eignung abhängig von Systemausführung

HFKW/KW-Gemische


Abb. 37 Anwendungsbereiche halogenfreier Kältemittel

Schmierstoffe

Abb. 38 Schmierstoffe für Verdichter

Anwendungsbereiche ! Schmierstoffe

2RR4407C

R717

R404A440 °°CC

Änderungen vorbehalten // 09.2010

BITZER Kühlmaschinenbau GmbHEschenbrünnlestraße 15 // 71065 Sindelf ingen // Germany

Tel +49 (0)70 31 932-0 // Fax +49 (0)70 31 932-147 [email protected] // w w w.bitzer.de

kaeltemittel report bitzer · 2012-06-15 · r407a, r407b und r407f als ersatzstoffe für r502 und...

Documents