Kältemittel heute und morgen

Bei einer derartigen Fülle von Vorträgen, die in fünf parallelen Arbeitsabteilungen gehalten wurden, kann hier nur auf wenige ausgewählte Themen Bezug genommen werden, besonders auf die mit den Kältemitteln in Verbindung stehenden, die der Berichterstatter selbst verfolgt hat. Es wird bald die CD mit den kompletten Vorträgen von der DKV-Geschäftsstelle geben, dann kann sich jeder Interessierte selbst darein vertiefen.

Von der Technischen Universität Dres-den berichteten Tobias Göpfert (Bild) und Prof. Ullrich Hesse über die Entwicklung eines Tieftemperaturkältemittels auf der Basis von R 744. Ausgangspunkt ist die Tatsache, dass die verfügbaren Tieftemperaturkältemittel entweder einen zu hohen GWP-Wert aufweisen oder brennbar sind. Und R 744 allein ist wegen des Tripelpunktes bei  56,6 °C nur bis wenig unter  50 °C Verdampfungstemperatur geeignet. Einen Ausweg bilden Gemische mit R 744. Durch die Mischung mit R 744 kann die Brennbarkeit von brennbaren Kältemitteln eingeschränkt oder eliminiert werden, man muss aber bei manchen Lösungen einen teilweise erheblichen Temperaturgleit in Kauf nehmen. Einzelheiten zu diesem umfassenden Thema finden sich in einem KK-Beitrag im Heft 12/2014.

Dr.  Karsten  Schwennesen, MexichemFluor, berichtete über neue Kältemittelzur Reduzierung der Umweltbelastung. Ausgangspunkt bildet das Kältemittel HFO 1234 ze, das allein genommen als Ersatz für R 134 a taugen würde, ein unbedeutendes Treibhauspotenzial aufweist, aber gering entflammbar ist. Durch Mischungen mit HFKW entstehen unbrennbare Stoffe für Kühlung und Klimatisierung, aber im Gegenzug geht der GWP-Wert natürlich hoch, beim AC5X zum Beispiel auf 600. Als Ersatz für R 404 A kann das Gemisch LTR4X gelten, aber mit höherer Verdichtungsendtemperatur, sodass die Einsatzgrenze des Verdichters eingeschränkt wird und nicht alle R 404 A-Einsatzfälle abdeckbar sind. Die R 404 A-Alternative R 32 wird durch das Gemisch HRP2A ergänzt, das gegenüber R 32 einen besseren COP-Wert aufweist.

Mit einem Ersatzkältemittel für R 404 A befasste sich auch Joachim  Gerstel von DuPont. Er stellte dafür das Gemisch R 449 (XP40) vor, das einen GWP-Wert von nur 45 Prozent dessen von R 404 A aufweist, was aber absolut immer noch ca. 1 400 bedeutet.Dieses Gemisch hat ähnliche thermodynamische Eigenschaften wie R 404 A, weist im Praxistest einen um drei bis vier Prozent geringeren Energieverbrauch aus und soll ohne Komponentenwechsel eine problemlose Umstellung ermöglichen. Auch hierbei ist die Verdichtereinsatzgrenze zu beachten.

Entwicklung neuer Kältemittel driftet beängstigend auseinander

Die Entwicklung neuer Kältemittel driftet in der Phase des Suchens und Probierens beängstigend auseinander. Es bleibt zu hoffen, dass die Konsolidierungsphase, in der sich wieder ein nicht zu breites Standardsortiment herausbildet, bald einsetzt. Kein Installationsbetrieb kann die gegenwärtige Vielfalt der Stoffe praktisch beherrschen.

Unabhängig von dieser Einschätzung müssen die Verdichter für die neuen Kältemittel auch mit dem richtigen Öl ausgestattet werden. Darüber referierten Christian Puhl (Bild) gemeinsam mit Wolfgang Bock von der Fuchs Europe Schmierstoffe GmbH. Sie können auf langjährigen Erfahrungen aufbauen und für fast alle Anwendungsfälle eine Lösung anbieten. Die Kohlenwasserstoffe laufen gut mit Polyolester- oder Polyalphaolefinölen, aber auch Polyalkylenglykole, wie es die Kfz-Klimatisierer wünschen, stehen zur Verfügung. Die Verwendung von R 744 im Supermarkt ist ein bedeutender Einsatzfall, der mit POE-Ölen gut gelöst werden kann, auch in verzweigten Systemen ohne Ölabscheider. Eine Additivierung mit Verschleißschutzzusätzen verbessert die Eigenschaften der Öle. Für die HFO-Kältemittel im Kfz-Bereich werden vorrangig PAG-Öle verwendet, aber auch POE-Öle sind in diesem Fall ohne Nachteile verwendbar, ebenso wie für die neuen FKW- und HFKW-Gemische.

Ganz ohne Öl arbeitet die Kälteanlage, die Wasser als Kältemittel benutzt. Jürgen Süß, der Moderator der AA II.2, sprach darüber in der AA III und stellte die entsprechende Entwicklung der Efficient Energy GmbH vor. Damit wird der direkte GWP-Wert Null und der indirekte Wert wird vor allem sowohl durch die Nutzung des Wassers als Kältemittel als auch als Kälteträger geringer als gewöhnlich. Die Temperaturdifferenzen auf der kalten und der warmen Seite werden dadurch kleiner als 1 K und zum Kühlwasser hin betragen sie etwa 4 bis 5 K. Erreicht wird das mit einem zweistufigen Turboverdichter, der mittels hochfester Kunststofflaufräder mit Umfangsgeschwindigkeiten bis 600 m/s und Drehzahlen bis 100 000 U/min Kälteleistungen bis 60 kW erreichen kann. Die COP-Werte für Frankfurt liegen bei Wasserspreizungen auf der kalten Seite von 7/12 bis 16/22 °C von 12 bis 26. Der Technologieschritt für diese Lösung ist getan, nun folgt der große Schritt der Überleitung in die Fertigung und Anwendung.

R 744 schon länger reanimiert

Das R 744 als natürliches Kältemittel ist schon länger reanimiert und die praktische Anwendung führt immer wieder zu verbessernden Neuerungen. Dazu gab es mehrere Beiträge.

Andreas Möhlen-kamp (Bild) berichtete gemeinsam mit Jürgen Köhler von der TU Braunschweig über Si-mulations-Vergleiche verschiedener Kältemittel für zweistufige Transportkälteanlagen mit dem Fokus auf R 744. Dabei wurden verschiedene Schaltungsmöglichkeiten mit einem und zwei Druckniveaus mit zwei einstufigen und einem zweistufigen Verdichter durchgerechnet. Für vorgegebene Bedingungen wurden die Werte für drei Regionen (D, E, USA) ermittelt. Bei konstanter Kälteleistung wurden R 404 A, R 1270 und R 744 verglichen, wobei R 744 mit COP-Werten von 2,4 bis 2,9 am besten abschnitt. Als Schlussfolgerung stand die Aussage als Empfehlung, dass für diesen Anwendungsfall sowohl R 744 als auch R 1270 Alternativen zu R 404 A darstellen.

Sascha  Hellmann nahm sich das R 744 in Supermarktanlagen von der Carrier Kältetechnik GmbH vor. Die Anwendung regelbarer Ejektoren in den CO2OLtec-Booster-Anlagen dehnt deren Einsatzbereich auch indie wärmeren Regionen im Süden Europasaus. Die Nutzung der Arbeitsfähigkeit des in den überkritischen Bereich verdichtetenR 744 durch einen Ejektor als Drosselorgan verbessert die energetische Situation sowohl durch die Nutzung der Entspannungsarbeit als auch durch die mögliche Anhebung der Verdampfungstemperatur, wodurch das Verdichterdruckverhältnis geringer wird. Es wurde über die Bestimmung des optimalen Ejektordesigns berichtet. Eine Feldtestanlage bei Valencia in Spanien liefert erste Ergebnisse im Vergleich von Economiser- und Ejektorbetrieb, wobei der Economiserbetrieb mit Parallelverdichter verwirklicht ist. Der Ejektorbetrieb führt im Ergebnis zu zehn bis 16 Prozent geringerem Energieverbrauch. In dieser Schaltung bedarf es zusätzlicher Maßnahmen zur Ölrückführung, da diese aus dem Zwischenbehälter, von dem trocken gesättigtes Gas abgesaugt wird, nicht mit gefördert wird.

Ebenfalls über eineR 744-Anlage mit Ejek-toren berichtete Armin Hafner, SINTEF-Institut im norwegischen Trondheim. Dabei handelt es sich um eine Testanlage mit mehreren parallel geschalteten Ejektoren, wobei mit den Ejektoren die Verdampfer abgesaugt werden und das Kältemittel über einen Flüssigkeitsabscheider zur Verdichtersaugseite gefördert wird. Der Druckhub beträgt 6 bis 10 bar. Ziel der Untersuchungen ist die Ermittlung der Ejektorgütegrade, die abhängig von den Betriebsbedingungen bis 33 Prozent betragen.

Über neuartige luftgekühlte Wärme-übertrager für R 744 berichtete StefanoFillipini, LU-VE Group. Die Betriebsparameter sind durch 120 bar als Druck gekennzeichnet und das Ziel besteht im Erreichen einer möglichst niedrigen Gasaustrittstemperatur. Dabei darf die Luftaustrittstemperatur höher werden als gewöhnlich, wodurch weniger Luft mit weniger Antriebsenergie für den Ventilator zu fördern ist und der Schalldruckpegel geringer wird. Realisiert wird das durch kleinere Rohrdurchmesser, kompaktere Geometrie und ein Sprühsystem. Für die Erforschung der Betriebsparameter dieser Wärmeübertrager wurden sowohl ein Teststand errichtet als auch Simulationsberechnungen durchgeführt. Die Arbeitsschritte und -inhalte wurden dargestellt. Die Temperaturdifferenz am Austritt, die nicht geringer als 2 K gewählt werden sollte, hat großen Einfluss auf die Auslegungsergebnisse hinsichtlich der Übertragungsfläche. Die Einsatzbereiche der Wärmeübertrager sind dadurch gekennzeichnet, dass sie sowohl über- als auch unterkritisch arbeiten, je nach Umgebungstemperatur am Aufstellungsort. Die Versuche haben ein größeres Verständnis für die Problematik der R 744-Wärmeübertrager gebracht und die Software für die Wärmeübertrager-Auslegung konnte entsprechend kalibriert werden.

Sicherheitsaspekte bei brennbaren Kältemitteln

Abschließend noch ein paar Ausführungen zu brennbaren Kältemitteln. Für Kriwan Industrie-Elektronik GmbH, Hersteller von Überwachungsgeräten, die alle elektrisch oder elektronisch basiert sind, berichtete Felix  Leumann über die Analyse beim Einsatz des brennbaren Kältemittels R 290 nach den geltenden Vorschriften, um zu einer Risikoeinschätzung oder zur Ableitung von Maßnahmen zur Gewährleistung der Sicherheit zu kommen. Der Aufwand ist nicht gering und erfordert eine gewisse Übung, um zum richtigen Ergebnis zu kommen. Anwender von Kriwan-Technik im Zusammenhang mit R 290 finden entsprechende Unterstützung bei diesem Unternehmen.

Holger  König, ref-tech engineering, sprach über diese Frage am Beispiel von Kühlcontainern mit dem Kältemittel R 290. Es ist von vielen Besonderheiten auszugehen, z. B. von Reparatur- und Schweißarbeiten an den Containern, Kältemittelnachfüllungen am Arbeitsplatz, Zustand und Ausrüstung benachbarter Container u. a. m. Insgesamt wurden 145 Fehlerszenarios ermittelt, mit dem Ergebnis eines geringen Risikos bei Betrieb der Anlage und dem größten Risiko bei ihrem Stillstand. Obwohl sich bei Leckage eine lokale Explosionskonzentration bilden kann, ist eine eigensichere Bauweise möglich und das Verwendungsrisiko von R 290 bei Containerkältesätzen ist akzeptabel.

Peter  Rölling von der ILK  Dresden gGmbH berichtete über die Entwicklung eines Minichannel-Verdampfers für einen Wäschetrockner, der mit R 290 als Kältemittel arbeitet und 3 kW Kälteleistung erbringt. Diese Entwicklung war dem Ziel untergeordnet, eine Kältemittelfüllmenge unter 150 g zu erreichen, um die Bedingungen für die allgemeine Aufstellung zu erfüllen. Im Ergebnis entstand ein kreisrunder Verdampfer aus MPE-Profilen, der zu einer Füllmenge für das Gerät von 135 g führte. Die Kältemittelverteilung erfolgte mit acht Kapillaren und die Aufnahmen mit einer Wärmebildkamera zeigen eine gute gleichmäßige Beaufschlagung aller Bereiche des Verdampfers.

Natürlich gehört zu dieser Thematik vorrangig auch der Vortrag von Andrea Voigt, EPEE in Brüssel, die über die neue F-Gase-Verordnung 517/2014 als einer Revolution für die Branche sprach. Sie stellte die Brisanz dieser Verordnung an den Anfang ihrer Ausführungen, betonte die Vorreiterrolle Europas im Ringen um weltweite Nachahmung und warb für ein Gelingen des Phase-Down in der angestrebten Zeit. Wir haben alle Trümpfe in der Hand jetzt heißt es, sie richtig auszuspielen. Und dann folgten in ihrem Vortrag die wichtigsten Punkte der Verordnung. Darüber wissen aber alle Kältetechniker inzwischen ausreichend Bescheid. UA