Leitfaden für die Kältemittelauswahl

Das ideale Kältemittel

Gleich vorweg: Das ideale Kältemittel für den Universaleinsatz gibt es nicht. Dafür sind die Anwendungsgebiete zu unterschiedlich. Trotzdem erfüllen sowohl Kältemittel modernster Prägung als auch einige „alte Bekannte“ höchste Anforderungen. Für fast alle Einsatzfelder bieten sich somit intelligente, ökonomisch und ökologisch sinnvolle Lösungen.

Kältemittel sollten weder brennbar, noch giftig oder korrosiv sein. Darüber hinaus sind folgende grundsätzliche Eigenschaften gefragt:

gute Mischbarkeit mit Öl,

thermische und chemische Stabilität,

hohe Kälte- und Wärmeleistung bei geringem Energieaufwand,

günstiges Druckverhältnis,

niedrige Verdichtungsendtemperatur,

gutes Preis-Leistungs-Verhältnis.

Besonders wichtig ist außerdem die Umweltverträglichkeit: Zahlreiche nationale und internationale Gesetze, Richtlinien und Verordnungen haben bereits in den vergangenen Jahren einen weitreichenden Veränderungsprozess eingeleitet, der Produktauswahl und -einsatz entscheidend beeinflusst.

So muss berücksichtigt werden, ob ein Kältemittel über Ozonabbaupotential verfügt, wie lang seine Lebensdauer in der Atmosphäre ist und welchen Einfluss es auf den Treibhauseffekt hat.

Passend zur Anlage: Bemessungsgrundlagen

Die Auswahl des richtigen Kältemittels richtet sich nach der Anwendung und dem Anlagentyp. Zu den Bemessungsgrundlagen für die konkrete Bewertung zählen:

Eignung für den erforderlichen Temperaturbereich,

passende thermodynamische Eigenschaften wie Siedeverhalten und spezifische Wärmekapazität,

geeignete Drucklagen,

Kompatibilität mit Maschinen und sonstigen verwendeten Materialien,

Verfügbarkeit passender Maschinenöle,

Verfügbarkeit geeigneter Verbindungstechniken,

hohe Wirtschaftlichkeit,

nachhaltige Einhaltung der gültigen Gesetze und Richtlinien (möglichst geringes Gefahrenpotential).­

Die Lebensdauer einer Kälte-, Klima- oder Wärmepumpenanlage ist hoch, überdauert oft mehrere Jahrzehnte. Während dieser Zeit beeinflusst das eingesetzte Kältemittel ganz wesentlich den Energieverbrauch: Hohe Kältemittel-Effizienz führt zu erheblichen Kosteneinsparungen. Die eventuell etwas höhere Investition amortisiert sich binnen kurzem.

Darüber hinaus sind Umweltaspekte und die damit verbundenen gesetzlichen Auflagen zu beachten: Eine auf Nachhaltigkeit ausgelegte Kältemittel-Auswahl macht aufwändige Umrüstungen überflüssig. Zudem umgehen Sie juristische Fallstricke.

Von ... bis: Temperaturbereiche

Anwendungsbezogen müssen Kältemittel für verschiedene Temperaturbereiche geeignet sein. Die daraus resultierenden Verdampfungstemperaturen führen zu unterschiedlichen Verdampfungsdrücken, die während des Anlagenbetriebs nicht unter Atmosphärendruck liegen sollten. Schon bei kleinsten Undichtigkeiten könnten dann Luft und Feuchtigkeit in den Kältekreislauf eindringen.

Generell gilt: Je geringer der Verdampfungsdruck ist, umso niedriger fällt die volumetrische Kälteleistung aus. Entsprechend groß muss demzufolge der Kompressor dimensioniert sein, um die geforderten Kälteleistungen erzielen zu können.

Ein niedriger Verdampfungsdruck führt allerdings auch zu einem niedrigen Verflüssigungsdruck. Das

erhöht die Anlagensicherheit,

verringert den erforderlichen Grad der Druckabsicherung,

erlaubt die Verwendung geringerer Wandstärken bei Rohren und Behältern,

vermindert das Risiko von Undichtigkeiten und

führt eventuell sogar zu einer niedrigeren Einstufung nach Druckgeräterichtlinie und Betriebssicherheitsverordnung.

Im Einzelnen: die wichtigsten Kältemittel

R134a

R134a ist innerhalb des Verdampfungsbereichs von -40 bis +10 °C das einzige Reinmolekül-Kältemittel. Deswegen ist es hervorragend geeignet für Anlagen mit so genannten gefluteten Verdampfern. Weil das Gasvolumen am Verdichtereintritt vergleichsweise hoch ist, müssen Sys­teme mit großen Fördervolumenströmen eingesetzt werden – zum Beispiel Schraubenverdichter und Turbinen.

Die spezifische Kälteleistung von R134a ist höher als die von R404A/R507, jedoch geringer als die von R407C und R410A. Bei Verdampfungstemperaturen unterhalb von -10 °C ist das Kältemittel nur noch eingeschränkt verwendbar.

Hauptsächlich eingesetzt wird R134a in Transport- und sonstigen gewerblichen Kälteanlagen sowie in Kühl- und Gefriergeräten für den Haushalt.

R1234yf

R1234yf ist ein Reinmolekül-Kältemittel mit dem GWP-Wert < 1 (GWP = Global Warming Potential). Entwickelt wurde R1234yf zur Umsetzung der Richtlinie 2006/40/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 17. Mai 2006 über Emissionen aus Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen. Hier soll es R134a ersetzen, ist jedoch – trotz geringer Brennbarkeit (ASHRAE-Brennbarkeitsklasse 2L) – umstritten.

Die thermodynamischen Eigenschaften von R1234yf wie Siedepunkt, kritische Temperatur sowie Flüssigkeits- und Dampfdichte sind mit denen von R134a vergleichbar. Angedacht ist auch der Einsatz als Gemisch-Komponente zur Herstellung zukünftiger sogenannter Low-GWP-Kältemittel.

R1234ze(E)

Das Reinmolekül-Kältemittel R1234ze(E) wird bereits in industriellen Anwendungen – z. B. in der Schaumindustrie – eingesetzt. Vorteil ist das sehr niedrige Treibhauspotenzial (GWP) von 6, das diesen Stoff vor allem für die Herstellung neuer Kältemittel-Gemische interessant macht. Aufgrund der vergleichsweise hohen Siedetemperatur (-19 °C bei 1 bar) und der daraus resultierenden geringen volumetrischen Kälteleistung (ca. 30 % weniger als R134a) liegt ein mögliches zukünftiges Anwendungsfeld im Einsatz von Kaltwasser- und Kaltsoleerzeugern mit großvolumigen Kompressoren wie Schrauben- oder Turboverdichtern. Allerdings sind durch die Brennbarkeit (ASHRAE-Brennbarkeitsklasse 2L) höhere Sicherheitsanforderungen bei der Aufstellung von Kältemaschinen zu berücksichtigen.

R404A / R507

Die Kältemittelgemische R404A und R507 verfügen über nahezu identische Eigenschaften. Während sich R507 aus zwei Komponenten zusammensetzt, ist R404A jedoch ein Dreistoffgemisch. Die thermodynamischen Kennwerte beider Produkte unterscheiden sich kaum. Genutzt werden R404A und R507 vornehmlich in Tiefkühlanlagen und Schockfrostern. Zunehmend finden sich beide Kältemittel auch in Wärmepumpen und Normalkühlanlagen. Dadurch können zwar kleinere Kompressoren verwendet werden, zugleich sinkt jedoch die Effizienz erheblich. Da zudem das direkte Treibhauspotential beider Gemische sehr hoch ist, raten wir von einer Verwendung in der Normalkühlung dringend ab. R404A und R507 können nach entsprechender Umrüstung auch als Ersatz für R22 eingesetzt werden.

R407A / R407F

R407A ist als Ersatz vor allem für R502 in Tiefkühlanwendungen, R407F insbesondere als Austauschprodukt für R22 entwickelt worden. Beide Stoffe haben im Vergleich zu anderen, in ähnlichen Anwendungsbereichen eingesetzten Kältemitteln einen relativ geringen GWP-Wert, erreichen hohe Effizienz und gute volumetrische Leistungszahlen. R407A und R407F können sowohl in Neuanlagen als auch bei Umrüstungen bestehender R502- oder R22-Anlagen im Normal- und Tiefkühlbereich eingesetzt werden. Der Temperaturgleit ist nur minimal kleiner als bei dem in Deutschland bekannteren Kältemittel R407C.

R407C

R407C wurde als Ersatzkältemittel für R22 in Klimaanlagen und Wärmepumpen entwickelt. Auch in bestehenden Systemen kann R407C nach entsprechender Umrüstung eingesetzt werden. Die Drucklagen beider Produkte sind vergleichbar, allerdings ist die Verdichtungsendtemperatur von R22 etwas höher.

R407C setzt sich aus drei Komponenten mit sehr unterschiedlichen Siedetemperaturen bei gleichem Druck zusammen. Daraus resultiert ein hoher Temperaturgleit beim Phasenwechsel. In Wärmepumpenanlagen wirkt sich das bei konsequenter Anwendung des Gleiteffekts positiv aus. Das zeotrope Kältemittel kann auch in der Normalkühlung eingesetzt werden.

R410A

Die zwei Komponenten des Gemischs R410A verfügen über fast identische Siedetemperaturen.

Der Temperaturgleit ist daher mit <0,2 K unerheblich. Besonders vorteilhaft sind jedoch die exzellenten Eigenschaften beim Wärmeübergang in Verdampfer und Verflüssiger. Bei einer optimal darauf abgestimmten Auslegung lässt sich eine sehr hohe Anlageneffizienz erzielen. Nachteilig ist das hohe Druckniveau (bei 0 °C ca. 7 bar, bei +43 °C bereits 25 bar Überdruck). Das erschwert das Anschließen von Monteurhilfen und die Durchführung von Reparaturen. Bei größeren Rohrquerschnitten ist zudem die Druckfestigkeit hartgelöteter Fittings nicht mehr gegeben.

R410A wird bevorzugt in Wärmepumpen- und Klimaanlagen im unteren Leistungsbereich verwendet.

R32

R32 ist ein Reinmolekül-Kältemittel und verfügt über ausgezeichnete thermodynamische Eigenschaften. Deshalb wird es in Gemischen wie R407 und R410 eingesetzt. Da Dampfdrücke und Verdichtungsendtemperaturen sehr hoch sind, ist es in der Vergangenheit in Reinform nicht zum Einsatz gekommen. Aufgrund der zunehmenden Regulierung von Kältemitteln mit hohem Treibhauspotenzial wird R32 (GWP-Wert 675) vor allem in der Klima- und Wärmepumpentechnik im kleineren Leistungsbereich an Bedeutung gewinnen. R32 ist im Gemisch mit Luft (12,7 bis 33,4 Vol.-% in Luft) explosiv und deshalb als „hochentzündlich“ zu kennzeichnen. Beim Einsatz von R32 sind einschlägige Sicherheitsvorschriften zu beachten.

R23 / R508A / R508B

R23, R508A und R508B fungieren als Hochdruckkältemittel bei Tieftemperaturanwendungen. Alle drei können aufgrund ihrer hohen Drücke jedoch ausschließlich in den unteren Stufen von Kaskaden-Kälteanlagen verwendet werden. Haupteinsatzgebiete sind die Medizin und Labortechnik sowie spezielle Anwendungen in Forschung und Entwicklung.

R600a

R600a – auch Isobutan – ist ein hochentzündlicher Kohlenwasserstoff. Bei atmosphärischem Druck beträgt seine Siedetemperatur minus 11 °C. Anwendungen unterhalb dieser Temperatur erfordern die besonders sorgfältige Abdichtung der Anlage, um das Eindringen von Luftgasen in den Kältekreislauf zu vermeiden. Das Hubvolumen der Verdichter ist größer, die erzielbare Kälteleistung geringfügig besser als bei R134a.

R600a wird vor allem für Haushaltskühlmöbel, die nur geringe Füllmengen benötigen, genutzt.

R290 / R1270

Auch R290 und R1270 sind hochentzündliche Kohlenwasserstoffe. R290 (Propan) hat im Vergleich zu R22 ein geringeres Druckverhältnis, eine deutlich höhere spezifische Kälteleistung und niedrigere Verdichtungsendtemperaturen – allerdings auch ein größeres spezifisches Volumen. Die Kälteleistungszahlen sind indes annähernd gleich. In der Wärmepumpentechnik können mit R290 aber höhere Wassertemperaturen erzielt werden.

Auch R1270 (Propen) verfügt über ähnliche Eigenschaften wie R22, erreicht jedoch niedrigere Verdampfungstemperaturen. Deshalb wird Propen vor allem in Tiefkühlanlagen bei verschiedenen industriellen Anwendungen eingesetzt.

R717

In der Industriekältetechnik – zum Beispiel in Kühlhäusern, Brauereien und Schlachthöfen – wird seit über 100 Jahren vorrangig das natürliche Kältemittel R717 (Ammoniak/NH₃) eingesetzt. Zunehmend findet R717 darüber hinaus in kompakten Kaltwassersätzen Anwendung. Ammoniak ist toxisch und unter bestimmten Voraussetzungen auch brennbar. Die hohe spezifische Verdampfungsenergie und die in Kälteanlagen auftretenden Drücke ermöglichen die vorteilhaft kleine Dimensionierung der Verdichter und Wärmeüberträger. Die umlaufenden Kältemittelmassen sind gering, was sich vor allem bei hoher Leistung auszahlt.

In den niedrigen Leistungsbereichen sind die Anwendungsmöglichkeiten für Ammoniak jedoch eingeschränkt. Die Verdichtungsendtemperaturen sind schon bei geringem Druck sehr hoch – in einigen Fällen sind deshalb wassergekühlte Zylinderköpfe und Verflüssiger erforderlich.

R744

R744 (CO₂) war im frühen 20. Jahrhundert vor allem in der Schiffskältetechnik verbreitet. Mit der Entwicklung fluorierter Kältemittel verlor der Klassiker jedoch an Bedeutung. Die sehr hohen Drücke sowie der ungünstige Tripelpunkt schränken die Anwendungsvielfalt zwar immer noch ein. Dennoch ist CO₂ aufgrund der Umweltbelastung durch fluorierte Stoffe in den letzten Jahren wieder verstärkt in den Fokus gerückt. In Kaskadenkälteanlagen in der Industrie, in Sportstätten und in Lebensmittelmärkten wird CO₂ erfolgreich genutzt. In Skandinavien, aber auch zunehmend in Deutschland, werden in Supermärkten auch CO₂-Kälteanlagen mit transkritischem Prozess installiert.

Besonders vorteilhaft sind dabei die hohe volumetrische Kälteleistung und die guten

Wärmeübertragungseigenschaften. R744 ist weder brennbar noch toxisch und deshalb in die Sicherheitsgruppe A 1 eingestuft. Die Nachfrage nach CO₂ als Kältemittel wird in den kommenden Jahren weiter zunehmen. Allerdings wird R744 die fluorierten Stoffe nicht komplett ersetzen können.

Umstellung bestehender FCKW/H-FCKW-Anlagen

Die Verordnung EG (Nr.) 1005/2009/EG der Europäischen Union verbietet seit dem 1. Januar 2010 den Einsatz aller H-FCKW (teilhalogenierte Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe) als Neuware. Grund für das Verbot ist das ozonschädigende Verhalten dieser Kältemittel. Betroffen davon ist vor allem das Kältemittel R22. Auch alle R22-haltigen Gemische – zum Beispiel R401A, R402A, R408A und R409A – fallen unter das Verbot. Das bedeutet für den Anlagenbetreiber, dass die Kälteversorgung nach einer Havarie möglicherweise nicht mehr sichergestellt werden kann. Je nach Anlagenalter und -einsatz bieten sich verschiedene Möglichkeiten (siehe Tabelle).

Die Umstellung umfasst im Einzelnen:

Überprüfung der Anlage auf einwandfreie Funktionsfähigkeit

Sach- und umweltgerechte Entnahme des alten Kältemittels

Austausch aller Filter

Eventuell Nachrüstung eines Saugfilters

Kontrolle der Dichtungen (vor allem Elastomere)

Durchführung eines Öltests, ggf. Ölwechsel

Evakuierung der Anlage

Inbetriebnahme und Auffüllen des Austauschkältemittels

Kontrolle der Überhitzung bei thermostatischen Expansionsventilen

Die Westfalen AG (www.westfalen-ag.de) unterstützt Sie bei der konkreten Auswahl und stellt Ihnen detaillierte Unterlagen zur Umstellung bereit.