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KÄLTEMITTEL-REPORT 20

A-500-20 DE

Kältemittel-Report

Inhalt

Wesentliche Änderung/Ergänzung gegenüber 19. Auflage

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Mit dieser Ausgabe verlieren alle vorherigen ihre Gültigkeit.

Kältemittelentwicklung und Gesetzeslage

Übersicht Alternativ-Kältemittel

Umwelt-Aspekte

Treibhauseffekt und TEWI-Kennwert

Öko-Effizienz

HFCKW-Kältemittel

R22 als Übergangskältemittel

HFKW-Kältemittel

R134a als Ersatzstoff für R12 und R22

Alternativen zu R134a

Kältemittelgemische (Blends)

Ersatzstoffe für R22 in Kälteanlagen

R404A und R507A als Ersatzstoffe für R22 und R502

R407A, R407B, R407F, R407H und R422A als Ersatzstoffe für R22 und R502

Ersatzstoffe für R22 in Klimaanlagen und Wärmepumpen

R407C als Ersatzstoff für R22 // R410A als Ersatzstoff für R22

R417A, R417B, R422D, R438A und R427A als Ersatzstoffe für R22

R32 als Ersatzstoff für R22

„Low GWP” HFOs und HFO/HFKW-Gemische als Alternativen zu HFKWs

Aspekte zur Entwicklung

R134a Alternativen

Ersatzstoffe für R404A/R507 und R410A

Weitere Entwicklungsprojekte

Halogenfreie (natürliche) Kältemittel

NH3 (Ammoniak) als Alternativ-Kältemittel

R723 (NH3/DME) als Alternative zu NH3

R290 (Propan) als Alternativ-Kältemittel // Propylen (R1270) als Alternative zu Propan

Kohlendioxid R744 (CO2) als Alternativ-Kältemittel und Sekundär-Fluid

Kältemittel für Sonderanwendungen

Schmierstoffe für Verdichter

Kältemitteldaten

Anwendungsbereiche

Übersicht Schmierstoffe

zum digitalen Kältemittel-Report

Kältemittelentwicklung und Gesetzeslage

Stratosphärischer Ozonabbau sowie atmosphä-rischer Treibhauseffekt durch Kältemittel-Emis-sionen führten seit Anfang der 90er-Jahre zueinschneidenden Veränderungen in der Kälte-und Klimatechnik.

Dies gilt besonders für den Bereich der gewerb-lichen Kälte- und Klimaanlagen mit ihrem weitreichenden Anwendungsspektrum. Für solcheSysteme wurden früher vorrangig die zumOzonabbau beitragenden Kältemittel R12, R22und R502 eingesetzt – für Sonderanwendungenauch R114, R12B1, R13B1, R13 und R503.

Die Verwendung dieser Stoffe ist in Industrie-ländern nicht mehr erlaubt, für R22 gab es jedochverlängerte Übergangsfristen. Allerdings galt inder Europäischen Union auch für R22 ein vor-gezogener Ausstieg, der in mehreren Stufenumgesetzt wurde (siehe Seite 8). Der wesentli-che Grund für dieses gegenüber internationa-len Vereinbarungen sehr frühe Verbot von R22ist das, wenn auch nur geringe, Ozonabbaupo-tenzial. Seit 2010 sind auch in weiteren LändernVerbotsverordnungen in Kraft, z.B. in USA.

Daraus ergeben sich erhebliche Auswirkungenauf die gesamte Kälte- und Klimabranche. BITZER ist deshalb die Selbstverpflichtung eingegangen, bei Forschung und Entwicklungalternativer, umweltfreundlicher Systemlösun-gen eine Vorreiterrolle zu übernehmen.

Nachdem sich die chlorfreien (ODP = 0)HFKW-Kältemittel R134a, R404A, R407C,R507A und R410A schon seit Jahren in brei-tem Umfang in gewerblichen Kälte-, Klima- undWärmepumpensystemen durchgesetzt haben,stehen inzwischen neue Herausforderungenan. Diese betreffen in erster Linie die Treib-hausproblematik. Ziel ist dabei eine deutlicheReduzierung von direkten Emissionen durchKältemittelverluste und von indirekten Emissio-nen durch besonders effiziente Anlagentechnik.

Hierzu gibt es bereits entsprechende Geset-zesvorgaben, wie z.B. die EU F-Gase Verord-nung Nr. 517/2014 (BITZER InformationsschriftA-510) sowie eine Reihe bereits ratifizierteroder in Vorbereitung befindlicher Verordnungenim Rahmen der EU Ökodesign Richtlinie (BITZER Informationsschrift A-530). ÄhnlicheVorgaben sind auch in Australien, Kanada undUSA in Vorbereitung oder schon umgesetzt.Auf internationaler Ebene wurde im Rahmendes Montreal Protocol in 2016 das sog. „KigaliAmendment“ verabschiedet, in dem beginnendab 2019 eine gestufte Mengenreduzierung vonHFKWs („HFC Phase-Down“) vereinbart ist.

Obwohl die indirekten Emissionen durch Ener-gieerzeugung ungleich höher sind als die direk-ten (CO2-äquivalenten) Emissionen durchHFKW-Kältemittel, wird es künftig zu Verwen-dungsbeschränkungen bzw. Verboten von Käl-

temitteln mit hohem Treibhauspotenzial (GWP)kommen. Dies betrifft in erster Linie R404A undR507A, für die bereits Alternativen mit geringe-rem GWP angeboten werden. Um die gesetz-ten Ziele zu erreichen, ist jedoch die Entwik-klung von Substituten für weitere Kältemittelsowie ein vermehrter Einsatz natürlich vorkom-mender Stoffe (NH3, CO2, Kohlenwasserstoffe)erforderlich.

Hierfür ist es notwendig, diese Kältemittelsowie geeignete Öle und entsprechend ange-passte Systeme umfassend zu erproben. Dazubesteht eine enge Zusammenarbeit mit wissen-schaftlichen Instituten, der Kältemittel- undÖlindustrie, weiteren Komponentenherstellern,Fachverbänden sowie innovativen Kälte- undKlimafachbetrieben.

Eine große Anzahl von Entwicklungsaufgabenkonnte abgeschlossen werden; für Alternativ-Kältemittel stehen geeignete Verdichter zurVerfügung.

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

Der folgende Bericht befasst sich mit denpotenziellen Möglichkeiten eines kurz- bismittelfristigen Wechsels zu Technologien mitreduzierter Umweltbelastung in mittleren undgrößeren gewerblichen Kälte- und Klimaanla-gen. Es wird zudem über vorliegende Erfahrun-gen und die sich ergebenden Konsequenzen inder Anlagentechnik berichtet.

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Verschiedene Studien belegen, dass die imGewerbebereich üblichen Kompressions-Käl-teanlagen bis zu einer Nutztemperatur vonetwa -40°C allen anderen Verfahren in derWirtschaftlichkeit überlegen 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 Kriterium angese-hen. Hinzu kommt das direkte Treibhauspo-tenzial (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" (Total

Equivalent Warming Impact). Inzwischenwurde noch eine weitergehende Bewertungs-

methode unter dem Gesichtspunkt der "Öko-

Effizienz" entwickelt. Hierbei werden sowohlökologische (u.a. TEWI) als auch ökonomi-sche Kriterien berücksichtigt (weitere Ausfüh-rungen siehe Seite 7).

So ist es möglich, dass die umweltrelevanteBeurteilung von Kältemitteln – einschließlichder betreffenden Systeme – je nach Einsatzortund Antriebsart unterschiedlich ausfallenkann.

Bei näherer Betrachtung von Substituten fürdie ursprünglich eingesetzten FCKW- undHFCKW- sowie für HFKW-Kältemittel mithohem GWP, sind die Möglichkeiten mit Ein-stoff-Kältemitteln stark eingeschränkt. Hierzugehört z.B. R134a, dessen vergleichsweisegeringer GWP den Einsatz noch für einigeZeit erlauben wird. Ebenso die Hydro-Fluor-Olefine (HFO) R1234yf und R1234ze(E) miteinem GWP < 10, die auch von der F-GaseVerordnung ausgenommen sind.

Direkte Alternativen (auf Basis fluorierter Koh-lenwasserstoffe) für nahezu alle Kältemittelmit höherer volumetrischer Kälteleistung undDrucklage als R134a können hingegen nurals Gemische (Blends)

"formuliert" werden.

Unter Berücksichtigung der thermodynami-schen Eigenschaften, Brennbarkeit, Toxizitätund Treibhauspotenzial ist die Liste potenziellgeeigneter Kandidaten jedoch stark einge-schränkt. Für Gemische mit reduziertem GWPgehören dazu neben R134a, R1234yf undR1234ze(E) in erster Linie noch die Kältemit-tel R32, R125 und R152a.

Neben halogenierten Kältemitteln kommenebenfalls Ammoniak (NH3) und Kohlenwas-serstoffe als Substitute in Betracht. Bei ge-werblichen Anwendungen ist deren Verwen-dung jedoch durch strenge Sicherheitsauf-lagen eingeschränkt.

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

Die umseitigen Abbildungen zeigen einestrukturelle Übersicht der Alternativ-Kältemittelsowie eine Aufstellung der momentan ange-botenen Reinstoffe oder Gemische. Im An-schluss daran werden die einzelnen Themen-bereiche behandelt.

Kältemitteldaten, Anwendungsbereiche undAngaben zu Schmierstoffen sind auf den Sei-ten 41 bis 44 zusammengefasst.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden dieweniger oder nur regional bekannten Produk-te in diese Ausgabe nicht einbezogen, worausallerdings keine Wertigkeit abzuleiten ist.

3

Alternativ-Kältemittel

Einstoff Kältemittel

z.B. R134a R125 R32 R143a R152a

HFKW– chlorfrei –

„Low GWP“Kältemittel

Gemische(Blends)

z.B. R404A R507A R407-Serie R410A R417A/B R422A/D R427A

Einstoff-Kältemittel

R1234yf R1234ze(E)

Gemische(Blends)

R1234yf/ R1234ze(E)/ HFKW

Einstoff- Kältemittel

z.B. NH3

R290 R1270 R600a R170 R744

Gemische(Blends)

z.B. R600a/ R290

R290/ R170

R723

halogenfrei

Einstoff Kältemittel

z.B. R22 R123 R124 R142b

Gemische(Blends)

überwiegendR22-haltig

HFCKW/HFKW– teilweise chlorhaltig –

Mittel- und langfristige Kältemittel

Übergangs-/Service- Kältemittel*

Abb. 1 Strukturelle Einteilung der Kältemittel

* Service-Kältemittel enthalten HFCKW als Gemischkomponente. Sie unterliegen deshalb den gleichen gesetzlichen Bestimmungen wie R22 (siehe Seite 8). Bedingt durch die fortschreitende Sanierung von älteren Anlagen ist die Bedeutung dieser Kältemittel inzwischen deutlich zurückgegangen. Teilweise wurde bereits die Produktion eingestellt. Aus Gründen der Entwicklungsgeschichte von Service-Gemischen werden diese Kältemittel jedoch im vorliegenden Report weiterhin behandelt.

Ehemalige AlternativenKältemittel

ASHRAE Hersteller- Zusammensetzung Detaillierte Klassifizierung Bezeichnung (bei Gemischen) Informationen R134a

R152a –

Seiten

R437A ISCEON® MO49 Plus Chemours R125/134a/600/601 9...12, 16, 41...43

R404A verschiedene R143a/125/134a R22/R502 R507A verschiedene R143a/125 Seiten

R422A ISCEON® MO79 Chemours R125/134a/600a 17...19, 41...43

R407A Mexichem, Arkema R32/125/134a R407C verschiedene R32/125/134a R407F Performax® LT Honeywell R32/125/134a R407H – Daikin Chemical R32/125/134a R410A verschiedene R32/125 R417A ISCEON® MO59 Chemours R125/134a/600 Seiten

R417B – Daikin Chemical R125/134a/600 18...23, 41...43

R422D ISCEON® MO29 Chemours R125/134a/600a R427A Forane® 427A Arkema R32/125/143a/134a R438A ISCEON® MO99 Chemours R32/125/134a/600/601a

R114 R236fa – – SeitenR12B1 R227ea – – 37, 41...43

R13B1 R410A verschiedene R32/125 Seiten 38, 41...43

R13 R23 – –

SeitenR503

R508A KLEA® 508A Mexichem R23/116 39, 41...43

R508B Suva® 95 Chemours R23/116

HFKW-Kältemittel 09.18

Tab. 1 Substitute für FCKW- und HFCKW-Kältemittel (chorfreie HFKW)

1

R22

R12(R500) 4


5

5

5

5

5

5

4

Aktuelle AlternativenKältemittel

ASHRAE Hersteller- Zusammensetzung Detaillierte Kennzeichnung Bezeichnung (bei Gemischen) Informationen R1234yf verschiedene – R1234ze(E) verschiedene – R450A Solstice® N-13 Honeywell R1234ze(E)/134a R456A AC5X** Mexichem R32/1234ze(E)/134a

Seiten 24…27,

R513A OpteonTM XP10 Chemours R1234yf/134a 41…43

R513A Daikin Chemical R516A ARM-42*** Arkema R1234yf/152a/134a

R448A Solstice® N-40 Honeywell R32/125/1234yf/1234ze(E)/134a R449A OpteonTM XP40 Chemours R32/125/1234yf/134a

Seiten 24…27, Forane® 449 Arkema R449C OpteonTM XP20 Chemours R32/125/1234yf/134a 41…43

R460B LTR4X** Mexichem R32/1234ze(E)/134a

R32 verschiedene –

R452B OpteonTM XL55 Chemours

R32/125/1234yf

Solstice® L-41y Honeywell R454B OpteonTM XL41 Chemours R32/1234yf

Seiten 24…27,

R459A ARM-71*** Arkema R32/1234yf/1234ze(E)

41…43

Erläuterungen zu Tab. 1 bis 3 Brennbar Größere Differenzen in Kälteleistung und Service-Kältemittel Unternehmen ist aus Toxisch Drucklage zu bisherigem Kältemittel mit ODP = 0 DuPont hervorgegangen

HFO und HFO/HFKW-Gemische 09.18

Aktuelle AlternativenKältemittel

ASHRAE Hersteller- Formel Detaillierte Klassifizierung Bezeichnung Informationen R290/600a – C3H8/C4H10 Seiten R600a – C4H10 30, 41...43 R717 – NH3

R723 – NH3 + R-E170 Seiten R290 – C3H8 28...32, 41...43 R1270 – C3H6

R600a –

C4H10

Seiten 37, 41...43

keine direkte Alternative verfügbar

R23

R170 –

C2H6 Seiten

39, 41...43

Diverse

R744 –

CO2 Seiten

33...36, 41...43

Halogenfreie Kältemittel 09.18

Tab. 3 Alternativen für HFCKW- und HFKW-Kältemittel (halogenfreie Kältemittel)

3

3

3

4 51

1

1

1

1

1

1

1

2

2

1 2

R404A/R507A*(R22/R407C*)

R410A

R134a

Tab. 2 "Low GWP" Kältemittel und Gemische

* Wegen der großen Variantenvielfalt von HFO/HFKW-Gemischen und den potenziellen Änderungen bei Entwicklungsprodukten umfasst obige Liste bei Alternativen für R134a und R404A/R507A nur nicht brennbare Gemische mit GWP ~ 600 (R134a) und GWP < 1500 (R404A/R507A).

Auf Seiten 24 bis 27 wird umfassend über HFO/HFKW-Gemische berichtet. Weitere Alternativen werden ebenfalls behandelt. ** Entwicklungsprodukt *** Verfügbar 2018 .. 2020

R134a

R124

R404AR507AR22

R410A


5

5

5

5

5

5

1

1

1

1

1

1

Abb. 3 Vergleich von TEWI-Kennwerten (Beispiel)

Treibhauseffekt undTEWI-Kennwert

Wie bereits erläutert (siehe Kapitel Kältemittel-entwicklung und Gesetzeslage, Seite 3)wurde eine Berechnungsmethode entwickelt,mit der die Auswirkungen auf den Treib-hauseffekt beim Betrieb von Kälteanlagenindividuell beurteilt werden können (TEWI =Total Equivalent Warming Impact).

Alle halogenierten Kältemittel, einschließlichder chlorfreien HFKW, zählen zur Kategorieder Treibhausgase. Eine Emission dieserStoffe trägt zum Treibhauseffekt bei. Im Ver-gleich zu CO2 – dem in der Atmosphäre(neben Wasserdampf) überwiegenden Treib-hausgas – sind die Auswirkungen allerdingsbeträchtlich höher. So ist z.B. die Emissionvon 1 kg R134a (Zeithorizont 100 Jahre)etwa gleichzusetzen mit 1430 kg CO2(GWP = 1430).Schon aus diesem Sachverhalt wird ersicht-lich, dass eine Verminderung von Kältemit-telverlusten zu den wesentlichen Aufgabender Zukunft gehören muss.

Dem gegenüber ist der höchste Anteil amTreibhauseffekt einer Kälteanlage die indi-rekte CO2-Emission durch Energieerzeu-gung. Bedingt durch den hohen Anteil fossiler Brennstoffe in Kraftwerken liegt diefreigesetzte CO2-Masse – im europäischenDurchschnitt – bei etwa 0,45 kg pro kWhelektrischer Energie. Über die gesamteLebensdauer einer Anlage resultiert darausein erheblicher Treibhauseffekt.

=

TEWI = ( α β )

α

β

e ]

Beispiel

Normalkühlung 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/ab 0,45 kg CO2/kWha 0,75n 15 JahreGWP 1430 (CO2 = 1) Zeithorizont 100 Jahre

Wegen des hohen Anteils an der Gesamt-bilanz besteht deshalb neben der Forde-rung nach Alternativ-Kältemitteln mit günsti-ger (thermodynamischer) Energiebilanzauch ein verstärkter Zwang zum Einsatzhocheffizienter Verdichter und Zusatzag-gregate sowie optimierter Anlagenkompo-nenten und Systemsteuerung.

Beim Vergleich verschiedener Verdichter-bauarten kann der Unterschied der indirek-ten CO2-Emission (durch Energiebedarf)durchaus höher sein als die gesamten Aus-wirkungen durch Kältemittelverluste.

Abb. 2 zeigt eine übliche Formel zur Be-rechnung des TEWI-Kennwertes, in derdie jeweiligen Einflussbereiche entspre-chend unterteilt sind.

Ergänzend dazu zeigt Abb. 3 anhand einesBeispiels (Normalkühlung mit R134a) dieVerhältnisse von TEWI-Kennwerten bei

Abb. 2 Berechnungsmethode für TEWI-Kennwerte

unterschiedlichen 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 potenzielleRisiko bei individuell gebauten und weit ver-zweigten Systemen besonders hoch ist.

Zur Reduzierung von Treibhausgas-Emissio-nen werden weltweit große Anstrengungenunternommen und auch teilweise schon ge-setzliche Verordnungen eingeleitet. Für denBereich der EU gilt seit Juli 2007 eine ge-setzliche

"Verordnung über bestimmte fluo-

rierte Treibhausgase", die auch für Kälte- undKlimaanlagen strenge Anforderungen fest-schreibt. Die revidierte Verordnung Nr. 517/2014 trat unterdessen in Kraft und ist seitJanuar 2015 in Anwendung.

Umwelt-Aspekte

6

Abb. 5 Beispiel einer Bewertung der Öko-Effizienz

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

� ökologischer Leistungsfähigkeit nachdem Konzept der Ökobilanzmethode (Life Cycle Assessment) gemäßISO 14040,

� ökonomischer Leistungsfähigkeit nachdem Ansatz zur Berechnung der Le-benszyklus-Kosten (Life Cycle Cost Analysis).

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) erreichtwerden kann. Dabei spielt auch die Aus-wahl des Kältemittels und die damit verbun-dene Systemtechnologie eine gewichtigeRolle.

Die Öko-Effizienz kann in einer graphischenDarstellung illustriert werden (Beispiel, sieheAbb. 5). Dabei bilden die Ergebnisse derÖkobilanz-Auswertung die x-Werte im Koor-dinatensystem, während die Resultate aus

der Lebenzyklus-Kostenanalyse die zuge-hörigen y-Werte definieren. Diese Darstel-lung macht dann deutlich, dass ein Systemeine umso höhere Öko-Effizienz aufweist, jeweiter es im rechten oberen Quadrantenliegt – und umgekehrt weniger effizient imlinken unteren Sektor.

Die im Koordinatensystem eingezeichnetenDiagonalen repräsentieren Linien gleicherÖko-Effizienz. Dies bedeutet, dass Systemebzw. Prozesse, die sich sowohl in den Le-benszyklus-Kosten als auch in Umweltlas-ten unterscheiden, durchaus die gleicheÖko-Effizienz aufweisen können.

Öko-Effizienz

Eine Bewertung auf Basis des TEWI-Kenn-werts berücksichtigt die Auswirkungen aufden Treibhauseffekt während der Betriebs-periode einer Kälte-, Klima- oder Wärme-pumpenanlage. Die gesamten ökologischenund ökonomischen Aspekte werden dabeiaber nicht betrachtet.

Bei einer Bewertung von Technologien wieauch bei Entscheidungen über Investitio-nen haben jedoch neben ökologischen auch ökonomische Aspekte einen bedeu-tenden Stellenwert. So führt bei technischenSystemen die Reduzierung von Umwelt-lasten häufig zu hohen Kosten, geringe Kos-ten gehen vielfach mit verstärkten Auswir-kungen auf die Umwelt einher. Dabei stehenin Unternehmen häufig die Investitionen imVordergrund, hingegen werden sie bei derDiskussion um die Minimierung der Umwelt-probleme oft vernachlässigt.

Mit Blick auf eine objektivere Beurteilungwurden in 2005 und 2010 Studien* vorge-stellt, die am Beispiel von Supermarktkälte-anlagen ein Konzept zur Bewertung derÖko-Effizienz beschreiben. Basis dafür istdas Verhältnis von Wertschöpfung (wirt-schaftlicher Wert eines Produktes) zu ent-stehenden Umweltlasten.

fizienz

fizienz

Abb. 4 Öko-Effizienz-Konzept

* Studie 2005: Erstellt von Solvay Management Sup-port GmbH und Solvay Fluor GmbH, Hannover inZusammenarbeit mit dem Informationszentrum Wär-mepumpen und Kältetechnik (IZW), Hannover.

Studie 2010: Erstellt von SKM ENVIROS, UK im Auftragund in Zusammenarbeit mit EPEE (European Partners-hip for Energy and Environment).

Beide Arbeiten wurden von einem Expertenkreis aus derKälteindustrie beratend unterstützt.

Umwelt-Aspekte

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Abb. 6 R12/R22 – Vergleich der Druckgastemperatur eines halb her me tischen Verdichters

Abb. 7 R12/R22/R502 – Vergleich der Drucklagen

geringen) Ozonabbau-Potenzials bereits inverschiedenen Regionen Beschränkungen*,die den Einsatz dieses Kältemittels für Neu-anlagen und Service regulieren.

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 Drucklagen.Kritisch zu bewerten ist auch die deutlichhöhere Druckgastemperatur gegenüber R12(Abb. 6) und R502**.

Ähnliche Verhältnisse in Bezug auf ther-mische Belastung ergeben sich im Vergleichzu 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 Kälte-

mittel, Gefahr von Säurebildung und Cu-Plat-tierung). 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 betref-fenden Maßnahmen sind in der 2009 überarbeitetenVerordnung 1005/2009 der EU-Kommission überOzon zerstörende Substanzen definiert. Diese Ver-ordnung regelt auch die Verwendung von R22 beimService für die gesamte EU.

Seit 2010 gelten Verbotsverordnungen auch in wei-teren Ländern, u.a. in USA.

** In den meisten Ländern bereits verboten.

c

R22 als Übergangskältemittel

Obwohl sich chlorfreie Kältemittel, wie z.B.R134a und R404A/R507A (Abb. 1 und Tab. 1)in größerem Umfang durchgesetzt habenund z.B. in der EU bereits wieder durchAlternativen mit geringerem GWP ersetztwerden, wird R22 international noch in vie-len Bereichen – sowohl für Neuinstallatio-nen als auch zur Umrüstung bestehenderAnlagen – verwendet.

Gründe liegen in den relativ niedrigen In-vestitionskosten, besonders im Vergleich zu R134a-Anlagen, aber auch im großenAnwendungsbereich, günstigen thermody-namischen Eigenschaften und niedrigemEnergieverbrauch. Hinzu kommt die weltwei-te Verfügbarkeit von R22 und der dafür er-probten Komponenten, die bei chlorfreienAlternativen nicht überall gewährleistet ist.

Trotz der allgemein günstigen Eigenschaftenunterliegt R22 wegen seines (wenn auch

HFCKW-Kältemittel

8

Abb. 8 R134a/R12 – Vergleich der Leistungsdaten eines halbhermetischen Verdichters

Abb. 9 R134a/R22 – Vergleich der Leistungsdaten eines halbhermetischen Verdichters

10

Verh

ältn

is R1

34a

zu R

22 (=

100%

)

Verdampfung [°C]

50

110

10 20

70

COP

Q o

60

80

100

-20 -10 0

toh 20°C

90

t c 40°C

t c 50°C

tc 50°C

tc 40°C

R134a als Ersatzstoff fürR12 und R22

R134a war das erste in breiterem Umfangerprobte (chlorfreie / ODP = 0) HFKW-Kälte-mittel. Es wird inzwischen weltweit in vielenKälte- und Klimaanlagen mit guten Betriebs-erfahrungen eingesetzt. Neben der Verwen-dung als Reinstoff kommt R134a auch ineiner Reihe von Gemischen als Komponen-te zum Einsatz (siehe auch „Kältemittelge-mische“ ab Seite 13).

R134a hat ähnliche thermodynamischeEigenschaften wie R12:

Kälteleistung, Energiebedarf, Temperatur-verhalten und Drucklagen sind zumindestim Klima- und Normalkühlbereich vergleich-bar. Damit lässt sich dieses Kältemittel für diemeisten ehemaligen R12-Anwendungen alsAlternative verwenden.

Für verschiedene Anwendungsfälle wirdR134a sogar als R22-Substitut bevorzugt;ein wesentlicher Grund sind die Beschrän-kungen des Einsatzes von R22 in Neuanla-gen und im Service. Allerdings bedingt diegeringere volumetrische Kälteleistung vonR134a im Vergleich zu R22 (Abb. 9) eingrößeres Fördervolumen. Außerdem sind

Einschränkungen in der Anwendung bei tie-feren Verdampfungstemperaturen zu berück-sichtigen.Durch umfangreiche Messungen konntejedoch belegt werden, dass die Leistungs-werte von R134a in weiten Bereichen hö-her sind als die von der Theorie gestütztenVoraussagen erwarten ließen. Zudem sinddie Betriebstemperaturen (Druckgas, Öl) derKältemittelverdichter sogar niedriger als mitR12 und liegen wesentlich unterhalb derR22-Werte. Damit ergeben sich besondersweitreichende Anwendungsmöglichkeitenbei Klima- und Normalkühlanlagen sowieWärmepumpen. Gute Wärmeübertragungs-werte – im Gegensatz zu zeotropen Gemi-schen – in Verdampfern und Verflüssigernbegünstigen dabei einen besonders wirt-schaftlichen Einsatz.

R134a zeichnet sich außerdem durch einenvergleichsweise niedrigen GWP (1430) aus.Mit Blick auf die künftigen Verwendungsbe-schränkungen (z.B. EU F-Gase Verordnung) ist deshalb der Einsatz dieses Kältemittelsnoch für einige Zeit möglich. Bei Bedarfkönnen Anlagen später auch relativ einfachauf nicht brennbare (A1) HFO/HFKW-Alter-nativen mit GWP ca. 600 umgestellt werden(Seiten 24/25).

Schmierstoffe für R134a

Bisher übliche Mineral- und Synthetiköle sindmit R134a (und den anderen im Folgendenbehandelten HFKWs) nicht mischbar/löslichund werden deshalb im Kältekreislauf nurunzureichend transportiert. Nicht mischbare Öle können sich in den Wär-meübertragern ablagern und den Wärmeüber-gang so stark behindern, dass ein Betrieb derAnlage nicht mehr möglich ist.Neue Schmierstoffe mit entsprechender Lös-lichkeit wurden entwickelt und sind schon seitvielen Jahren im praktischen Einsatz. Es han-delt sich um Schmierstoffe auf der Basis vonPolyol-Ester (POE) und Poly-Alkylen-Glykol(PAG).

Weitere Erläuterungen zu Schmierstoffensiehe Kapitel „Schmierstoffe für Verdichter“,Seite 40.

HFKW-Kältemittel

9

Abb. 10 R134a/R12/R22 – Vergleich der Drucklagen

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

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

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

o Sonderausgabe„Eine neue Generation optimierterKompakt-Schraubenverdichter fürR134a“

Resultierende Auslegungs- und Ausführungskriterien

Für R134a sind entsprechend geeigneteVerdichter – mit spezieller Ölfüllung – undAnlagenkomponenten erforderlich. Mit Esterölen haben sich die in FCKW-Anla-gen üblichen Metallwerkstoffe ebenfallsbewährt; Elastomere müssen teilweise dengeänderten Verhältnissen angepasst wer-den. Dies gilt insbesondere auch bei Ein-satz von Schlauchleitungen, die äußersthohe Anforderungen hinsichtlich Restfeuch-te und Permeabilität erfüllen müssen.

Die Anlagen sind besonders sorgfältig zutrocknen und das Befüllen oder der Wechseldes 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 Kältemittel ein unvergleichlich breitesProgramm von Hubkolben-, Schrauben-und Scrollverdichtern an.

Umstellung bestehender R12-Anlagenauf R134a

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 Eigenschaf-ten von Esterölen als vorteilhaft. Sie kön-nen unter gewissen Voraussetzungen mit(H)FCKW-Kältemitteln betrieben werden,sind mit Mineralölen mischbar und tolerie-ren in R134a-Anlagen auch Anteile an Chlorbis 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 dimensio-nierter Trockner. Zweifelhafte Erfahrungengibt es mit Systemen, deren chemische Stabilität bereits bei R12-Betrieb ungenü-gend ist (schlechte Wartung, geringe Trock-nerkapazität, hohe thermische Belastung).Hier kommt es vielfach zu verstärkter Abla-gerung chlorhaltiger Ölzersetzungsproduk-

te, die dann unter Einwirkung der hochpola-ren Mischung aus Esteröl und R134a ab-gelöst werden und in Verdichter und Regel-geräte gelangen. Schon deshalb sollte eineUmrüstung auf Systeme beschränkt bleiben,die sich in gutem Zustand befinden.

Beschränkungen von R134a inKfz-Klimaanlagen (MAC)

Eine EU-Richtlinie zu „Emissionen aus Kli-maanlagen in Kraftfahrzeugen“ (2006/40/EG)sieht ein Verwendungsverbot von R134a inNeuanlagen vor. Verschiedene Alternativ-Technologien sind bereits in der praktischenAnwendung. Erläuterungen hierzu sieheSeiten 11, 12 und 36.

HFKW-Kältemittel

10

„Low GWP“ HFO-Kältemittel R1234yf

Das Verwendungsverbot von R134a in Kfz-Klimaanlagen innerhalb der EU hat eineReihe von Forschungsprojekten iniziiert.Neben CO2-Technologie (siehe Kapitel CO2

in Kfz-Klimaanlagen, Seite 36) wurdeninzwischen Kältemittel mit sehr geringenGWP-Werten und ähnlichen thermodynami-schen Eigenschaften wie R134a entwickelt.

Anfang 2006 wurden zunächst zwei Kälte-mittel-Gemische unter den Bezeichnungen

"Blend H" (Honeywell) und

"DP-1" (DuPont)

vorgestellt. INEOS Fluor folgte mit einerweiteren Variante unter dem HandelsnamenAC-1. Bei allen Kältemitteln handelte essich im weitesten Sinne um Gemische ausverschiedenen fluorierten Molekülen.

Während der Entwicklungs- und Testphasewurde offensichtlich, dass nicht alle Akzep-tanzkriterien erfüllt werden konnten. WeitereUntersuchungen mit diesen Gemischenwurden deshalb eingestellt. DuPont (inzwischen Chemours) und Honey-well bündelten daraufhin ihre Forschungs-und Entwicklungsaktivitäten in einem JointVenture mit Fokus auf 2,3,3,3-Tetrafluorpro-pen (CF3CF=CH2). Dieses Kältemittel mitder Bezeichnung R1234yf gehört zur Grup-pe der Hydro-Fluor-Olefine (HFO). Es han-delt sich dabei um ungesättigte HFKW mitchemischer Doppelbindung.

Alternativen zu R134a

Bei Kfz-Klimaanlagen mit offenen Verdich-tern und Schlauchverbindungen im Kälte-kreislauf ist das Leckagerisiko ungleichhöher als bei stationären Systemen. MitBlick auf die Reduzierung direkter Emissio-nen in diesem Anwendungsbereich wurdedeshalb eine EU-Richtlinie (2006/40/EG)verabschiedet. Darin werden u.a. im Rah-men von Typgenehmigungen neuer Fahr-zeuge seit 2011 nur noch Kältemittel miteinem GWP < 150 zugelassen. Damitscheidet das in diesen Anlagen bisher ver-wendete R134a (GWP = 1430) aus.

Inzwischen wurden Alternativ-Kältemittelsowie neue Technologien entwickelt underprobt. In diesem Zusammenhang wurdeauch der Einsatz von R152a näher unter-sucht.

Seit einiger Zeit hat sich jedoch die Auto-mobil-Industrie auf Systemlösungen mitsog.

"Low GWP" Kältemitteln geeinigt. Letz-

tere werden im Folgenden behandelt.

Die lange Zeit für diese Anwendung favo-risierte CO2-Technologie wurde bisher ausverschiedenen Gründen nicht eingeführt(siehe auch Seiten 12 und 36).

R152a – eine Alternative zuR134a (?)

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 Druckabfall sindsogar 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 = 124).

R152a ist jedoch brennbar – bedingt durchden geringen Fluor-Anteil – und in Sicher-heitsgruppe A2 eingestuft. Damit geltenerhöhte Sicherheitsanforderungen, die indi-viduelle konstruktive Lösungen und Absi-cherungsmaßnahmen sowie entsprechendeRisikoanalysen erfordern.

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

HFKW-Kältemittel

11

Wegen der relativ einfachen Umstellungvon Kfz-Klimaanlagen hat sich bisher dieseTechnologie gegenüber den im Wettbewerbstehenden CO2-Systemen durchgesetzt.

Wie zuvor bereits erläutert, rücken jedochauf Grund der Brennbarkeit von R1234yfweitere technische Lösungen in den Fokus.

Dazu gehören aktive Löscheinrichtungen(z.B. mit Argon), aber auch die Weiterent-wicklung von CO2-Systemen.

Ausführliche Informationen zu Eigenschaf-ten und Anwendung siehe Kapitel „LowGWP" HFOs und HFO/HFKW-Gemischeals Alternativen zu HFKWs, Seite 24.

Das Treibhauspotenzial ist außerordentlichgering (GWP = 4). Bei Freisetzung in dieAtmosphäre erfolgt ein rascher Zerfall desMoleküls innerhalb weniger Tage mit derFolge eines sehr geringen GWP. Hierausergeben sich allerdings gewisse Bedenkenhinsichtlich der Langzeitstabilität im Kälte-kreislauf unter realen Bedingungen.Umfangreiche Tests haben jedoch gezeigt,dass die für Kfz-Klimaanlagen geforderteStabilität erfüllt wird.

Basierend auf Messungen nach ASTM 681ist R1234yf schwach brennbar, dabei liegtdie erforderliche Zündenergie wesentlichhöher als z.B. bei R152a. Wegen seinergeringen Flammgeschwindigkeit und derhohen Zündenergie erfolgte eine Einstufungunter der neuen Sicherheitsgruppe

"A2L"

nach ISO 817. In umfangreichen Testreihenkonnte inzwischen ermittelt werden, dassbei Kfz-Klimaanlagen die potenziell erhöhteGefährdung durch Entflammbarkeit des Käl-temittels mit entsprechenden konstruktivenMaßnahmen vermieden werden kann. Aller-dings gibt es auch Untersuchungen (z.B.von Daimler-Benz), bei denen ein erhöhtesRisiko festgestellt wurde. Verschiedene Her-steller haben deshalb die Entwicklung alter-nativer Technologien wieder intensiviert.

Toxizitätsuntersuchungen zeigen sehr posi-tive Ergebnisse. Gleiches gilt für Verträglich-keitstests mit den im Kältekreislauf verwen-deten Kunststoff- und Elastomermaterialien.Bei Schmierstoffen zeigt sich teilweise eineerhöhte chemische Reaktivität, die jedochdurch entsprechende Formulierung und/oder Zusatz von

"Stabilisatoren" unterdrückt

werden kann.

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 kann deshalb dieselbe Leistung und Effizienz wie mit R134a erreicht werden.

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

HFKW-Kältemittel

12

Einführung

halten ähnlich den Einstoffkältemitteln – und

"Zeotropen" – mit „gleitender“ Phasenände-

rung – unterschieden (siehe auch nächsterAbschnitt). Die ursprüngliche Entwicklungvon

"Zeotropen" konzentrierte sich haupt-

sächlich auf Sonderanwendungen in Tief-temperatur- und Wärmepumpensystemen.Real ausgeführte Anlagen blieben aber eherdie Ausnahme. Eine etwas häufigere Praxiswar allerdings schon früher die Zumischungvon R12 zu R22 zur Verbesserung des Öl-rückflusses und zur Reduzierung der Druck-gastemperatur bei höheren Druckverhältnis-sen. Üblich war auch die Zugabe von R22in R12-Systeme zur Erhöhung der Leistungoder von Kohlenwasserstoffen im Extra-Tieftemperaturbereich zum verbessertenÖltransport.

Diese Möglichkeit zur spezifischen "Formu-

lierung" bestimmter Eigenschaften war einewesentliche Grundlage für die Entwicklungeiner neuen Generation von Gemischen.

Eingangs (siehe Kapitel Kältemittelentwick-lung und Gesetzeslage, Seite 3) wurdebereits erläutert, dass es keine direkten Ein-stoff-Alternativen (auf Basis fluorierter Koh-lenwasserstoffe) für die ehemals eingesetz-ten und aktuellen Kältemittel mit höherervolumetrischer Kälteleistung als R134a gibt.Sie können deshalb nur als Gemische(Blends)

"formuliert" werden. Unter Berück-

sichtigung der thermodynamischen Eigen-schaften, Brennbarkeit, Toxizität und Treib-hauspotenzial ist die Liste potenziell ge-eigneter Kandidaten jedoch stark einge-schränkt.

Für die früher entwickelten FCKW- undHFCKW-Substitute war die Bandbreite vonSubstanzen noch vergleichsweise groß, daauch Stoffe mit hohem GWP eingesetztwerden konnten. Zur Formulierung vonGemischen mit deutlich reduziertem GWPverbleiben hingegen neben R134a, R1234yfund R1234ze(E) in erster Linie noch die Kältemittel R32, R125 und R152a. Die meis-ten davon sind brennbar. Außerdem gibt eserhebliche Unterschiede im Siedepunkt,weshalb alle

"Low GWP"-Gemische mit

hoher volumetrischer Kälteleistung einendeutlichen Temperaturgleit aufweisen (siehenächster Abschnitt).

BITZER kann auf weitreichende Erfah-rungen mit Kältemittel-Gemischen verwei-sen. Bereits sehr früh wurde mit Labor-und Feldversuchen begonnen und damitdie Grundlage für eine Optimierung derMischungsverhältnisse und Erprobunggeeigneter Schmierstoffe geschaffen.Auf dieser Basis konnte dann schon1991 eine größere Supermarktanlage –mit 4 BITZER Halbhermetiks im Parallel-verbund – in Betrieb genommen werden.Die Anwendung dieser Gemische beiunterschiedlichsten Systemvarianten istbereits seit Jahren Stand der Technik –mit allgemein guten Erfahrungen.

Allgemeine Eigenschaften zeotroperGemische

Im Gegensatz zu azeotropen Gemischen(z.B. R502, R507A), die sich beim Siede-und Verflüssigungsvorgang wie Einstoffkäl-temittel verhalten (konstante Temperatur),erfolgt die Phasenänderung bei zeotropenFluiden

"gleitend" über ein gewisses Tem-

peraturband.

Dieser „Temperaturgleit“ kann mehr oderweniger stark ausgeprägt sein; er ist we-sentlich abhängig von den Siedepunktsla-gen und den prozentualen Anteilen der Ein-zelkomponenten. Abhängig von den effek-tiven

"Gleit"-Werten werden auch ergänzen-

de Begriffsdefinitionen, wie z.B. semi-azeo-trop (nahe-azeotrop) – unterhalb von 1 KBandbreite –, verwendet.

In der Praxis bedeutet dieses Verhalteneinen geringfügigen Temperaturanstiegbereits in der Verdampfungsphase und eineTemperaturabnahme bei der Verflüssigung.Anders ausgedrückt: Bezogen auf einenbestimmten Druckzustand sind die resultie-renden Sättigungstemperaturen in Flüssig-keits- und Dampfphase unterschiedlich(Abb. 11).

Um eine weitgehende Vergleichbarkeit mitEinstoffkältemitteln zu ermöglichen, wurdenVerdampfungs- und Verflüssigungstempera-tur bisher häufig als Mittelwerte definiert.Die Konsequenz dabei ist jedoch, dassgemessene Unterkühlungs- und Überhit-zungszustände – bezogen auf die Mittelwer-te – nicht real sind. Die effektive Diffe-

Kältemittelgemische(Blends)

Kältemittel auf Gemischbasis wurden entwick-elt, um sowohl für Servicezwecke als auchfür Neuanlagen, in ihren Eigenschaften direktvergleichbare Alternativen zu den bisher ver-wendeten Substanzen anzubieten.

Grundsätzlich muss zwischen drei Kate-gorien unterschieden werden:

1. Übergangs- bzw. Service-Gemische, diemeistens das HFCKW R22 als wesent-lichen Bestandteil enthalten. Sie sind pri-mär – im Hinblick auf das Verwendungs-verbot von R502, R12 und anderen FCKW –als Service-Kältemittel für ältere Anlagenvorgesehen. Entsprechende Produkte werden von ver-schiedenen Herstellern angeboten, prakti-sche Erfahrungen über notwendige Schrit-te bei Umrüstprozeduren sind vorhanden.Für den Einsatz dieser Gemische geltenallerdings die gleichen gesetzlichen Be-stimmungen und Ausstiegsregelungen wiefür R22 (siehe Seite 8).

2. HFKW-Gemische als Ersatzstoffe für dieKältemittel R502, R22, R13B1 und R503.Insbesondere R404A, R507A, R407C undR410A werden in größerem Umfang ein-gesetzt.Eine Gruppe dieser HFKW-Gemische ent-hält auch Zusätze an Kohlenwasserstof-fen. Letztere haben eine verbesserte Lös-lichkeit mit Schmierstoffen und ermög-lichen unter bestimmten Voraussetzungenden Einsatz konventioneller Öle. Damitergibt sich vielfach die Möglichkeit zurUmstellung bestehender (H)FCKW-Anla-gen auf chlorfreie Kältemittel (ODP = 0)ohne die Notwendigkeit eines Ölwechsels.

3. HFO/HFKW-Gemische als Nachfolge-Generation von HFKW-Kältemitteln. Es handelt sich dabei um Gemische vonneuen

"Low GWP" Kältemitteln (z.B.

R1234yf) mit HFKWs. Wesentliches Ziel istdabei eine weitere Senkung des Treibhaus-potenzials (GWP) gegenüber etabliertenhalogenierten Substanzen (siehe Seite 24).

Mehrstoffgemische haben bereits eine länge-re Tradition in der Kältetechnik. Dabei wirdzwischen sog.

"Azeotropen" (z.B. R502,

R507A) – mit einem thermodynamischen Ver-


13

Abb. 11 Verhältnisse bei Verdampfung und Verflüssigung zeotroper Gemische Abb. 12 Drucklagen von R404A im Vergleich zu R502

renz, basierend auf Sattdampf- bzw. Siede-temperatur, ist jeweils geringer.Diese Zusammenhänge sind für die Beurtei-lung der Mindestüberhitzung am Verdichter-eintritt (üblicherweise 5 bis 7 K) und denZustand der Flüssigkeit nach dem Sammler(Dampfblasen) von wesentlicher Bedeutung.

Im Hinblick auf eine eindeutig nachvollzieh-bare Definition der Verdichterleistung wer-den international die überarbeiteten NormenEN 12900 und AHRI540 angewandt. Die Ver-dampfungs- und Verflüssigungstemperatu-ren sind dort jeweils auf Sattdampfzuständebezogen.

o Verdampfungstemperatur entsprechendPunkt A (Abb.11)

o Verflüssigungstemperatur entsprechendPunkt B (Abb.11)

In diesem Fall wird auch die Bewertung dereffektiven Überhitzungs- und Unterkühlungs-temperatur einfacher.

Es muss allerdings berücksichtigt werden,dass die tatsächliche Kälteleistung höher istals eine auf dieser Basis dokumentierte Ver-

dichterleistung. Dies ist u.a. bedingt durcheine effektiv niedrigere Temperatur am Ver-dampfereintritt.

Eine weitere Eigenschaft zeotroper Kälte-mittel ist die potenzielle Konzentrationsver-schiebung bei Leckagen. Kältemittelaustrittin der reinen Gas- und Flüssigkeitsphase istweitgehend unkritisch. Weit bedeutsamer sind Leckagen im Zwei-phasengebiet – z.B. nach dem Expansions-ventil, im Verdampfer, Verflüssiger undFlüssigkeitssammler. Es ist deshalb zu em-pfehlen, in diesen Bereichen möglichst Löt-oder Schweißverbindungen vorzusehen.

Erweiterte Untersuchungen haben gezeigt,dass Leckagen weniger gravierende Auswir-kungen haben als ursprünglich angenom-men wurde. Sicher ist jedenfalls, dass sichbei den nachfolgend näher behandeltenStoffen der Sicherheitsgruppe A1 (sieheSeite 41) weder innerhalb noch außerhalbdes Kreislaufes brennbare Gemische ent-wickeln können. Allein durch Nachfüllen mitdem Originalkältemittel sind bei Kältemittelnmit geringem Temperaturgleit weitgend

ähnliche Betriebsbedingungen und Leis-tungswerte zu erreichen wie zuvor.

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

o Das System muss immer mit Flüssigkeitbefüllt werden. Bei gasförmiger Entnah-me aus dem Füllzylinder können Konzen-trationsverschiebungen auftreten.

o Nachdem alle Gemische mindestens einebrennbare Komponente enthalten, istLuftzutritt ins System zu vermeiden.Unter Überdruck und beim Evakuierenkann bei zu hohem Luftanteil eine kriti-sche Verschiebung der Zündgrenze ent-stehen.

o 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.


14

Resultierende Auslegungskriterien/Umstellung bestehender R502-Anlagen

Verdichter und die auf R502 abgestimmtenZusatzkomponenten können in den meistenFällen im System verbleiben. Zu berücksichtigen sind jedoch die Ein-schränkungen im Anwendungsbereich:Höhere Druckgastemperatur als R502 fürR402B**, R403A** und R408A** bzw. höhe-re Drucklagen bei R402A** und R403B**.

Wegen des guten Löslichkeitsverhaltensvon R22 und R290 besteht eine erhöhteGefahr, dass nach Umstellung der Anlageeventuelle Ablagerungen chlorhaltiger Öl-zersetzungsprodukte abgelöst werden undin Verdichter und Regelgeräte gelangen.Besonders gefährdet in dieser Hinsicht sindSysteme, deren chemische Stabilität bereitsbei R502-Betrieb ungenügend ist (schlechteWartung, geringe Trocknerkapazität, hohethermische Belastung). Es sollten deshalbbei der Umstellung reichlich dimensionierteSauggasfilter und Flüssigkeitstrockner zurReinigung eingesetzt werden und nachetwa 100 Betriebsstunden ein Ölwechselerfolgen; weitere Kontrollen sind zu emp-fehlen.

Abb. 13 Auswirkungen der Gemischvariation auf die Druckgastemperatur (Beispiel: R22/R218/R290)

Abb. 14 Vergleich der Leistungsdaten eines halbhermetischen Verdichters

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

** Klassifizierung nach ASHRAE-Nomenklatur.

Service-Gemische mit derBasiskomponente R22*als Ersatzstoffe für R502

Bedingt durch die fortschreitende Sanierungvon älteren Anlagen ist die Bedeutung die-ser Kältemittel inzwischen deutlich zurück-gegangen. Teilweise wurde bereits die Pro-duktion eingestellt. Aus Gründen der Ent-wicklungsgeschichte von Service-Gemi-schen werden diese Kältemittel jedoch imvorliegenden Report weiterhin behandelt.

Diese Kältemittel gehören zur Gruppe der

"Service-Gemische" und werden bzw.

wurden unter den BezeichnungenR402A/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 sehr nie-drigem Adiabatenexponent (z.B. R125,R143a, R218) deutlich abgesenkt wird.Charakteristisches Merkmal dieser Zusätzeist ein besonders hoher Massenstrom, derin der Mischung eine weitgehende Anglei-chung an die Verhältnisse von R502 ermög-licht.

Zum Zwecke einer besseren Löslichkeit mitherkömmlichen Schmierstoffen wird beiR402A/B und R403A/B noch R290 (Pro-

pan) als dritte Komponente verwendet –Kohlenwasserstoffe haben ein besondersgutes Löslichkeitsverhalten.

Bei diesen beiden Gemischen werden auchjeweils unterschiedliche Varianten angebo-ten. Bei Optimierung der Gemischverhält-nisse hinsichtlich identischer Kälteleistungwie R502 ergaben die Labormessungeneine noch deutlich überhöhte Druckgastem-peratur (Abb. 13), die vor allem bei großerSauggasüberhitzung (z.B. Supermarkt-anwendung) Einschränkungen im Einsatz-bereich zur Folge hat.

Andererseits bewirkt ein höherer Anteil vonR125 bzw. R218 – zur Absenkung der Druckgastemperatur auf das Niveau vonR502 – etwas höhere Kälteleistung (Abb.14).

Hinsichtlich der Materialverträglichkeit sinddie Gemische ähnlich zu beurteilen wie(H)FCKW-Kältemittel. Auch die Verwendungkonventioneller Kältemaschinenöle (teil-oder vollsynthetisch) ist wegen des R22-und R290-Anteils möglich.

Neben diesen positiven Aspekten gibt esauch nachteilige Gesichtspunkte. Auchdiese Stoffe sind nur als zeitlich begrenzteAlternativen anzusehen. Der R22-Anteil hatein, wenn auch geringes, Ozongefährdungs-potenzial. Weiterhin weisen die Zusatzkom-ponenten R125, R143a und R218 einenhohen Treibhauseffekt (GWP) auf.

Service-Gemische

15

Um einen Vergleich über das Betriebsver-halten zu ermöglichen, sollten außerdem die Betriebsbedingungen (u.a. Druckgas-temperatur und Sauggasüberhitzung) beiR502-Betrieb protokolliert und mit den Werten nach der Umrüstung verglichenwerden. Abhängig von den Resultaten sindeventuelle Korrekturen in der Einstellungvon Regelgeräten oder auch Zusatzmaß-nahmen erforderlich.

Service-Gemische alsErsatzstoffe für R12 (R500)

Obwohl sich, wie die Erfahrungen bereitszeigen, R134a auch gut für die Umstellungbestehender R12-Anlagen eignet, ist einegenerelle Verwendung für

"Retrofit"-Maß-

nahmen nicht möglich. Nicht alle früher ein-gesetzten Verdichter sind konstruktiv fürden Einsatz von R134a ausgelegt. Zudembedingt die Umrüstung auf R134a eineMöglichkeit zum Ölwechsel, die zum Bei-spiel bei hermetischen Verdichtern meistnicht 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 mangelhaft unddamit die Erfolgsaussichten recht fraglich.

Als Alternative zu R134a stehen für solcheAnlagen ebenfalls sog.

"Service-Gemische"

zur Verfügung, die unter den BezeichnungenR401A/R401B*, R409A* vertrieben werden.Wesentliche Bestandteile sind die HFCKW-Kältemittel R22, R124 und/oder R142b. Alsweitere Komponente wird entweder HFKWR152a oder R600a (Isobutan) verwendet.Durch den überwiegenden Anteil anHFCKW ist ein Betrieb mit herkömmlichenSchmierstoffen möglich (bevorzugt teil- oder vollsynthetisch).

Ein weiteres Service-Gemisch wurde unterder Bezeichnung R413A (ISCEON®49 –DuPont) angeboten, jedoch Ende 2008durch R437A ersetzt. Aus Gründen der Ent-wicklungsgeschichte von Service-Gemi-schen wird R413A im vorliegenden Reportweiterhin behandelt. Bestandteile von R413A sind die chlorfreienSubstanzen R134a, R218 und R600a. Trotzdes hohen R134a-Anteils ist der Einsatzvon konventionellen Schmierstoffen möglichund zwar bedingt durch die relativ niedrigePolarität des R218 und das gute Löslich-keitsvermögen von R600a.

Bei R437A handelt es sich um ein Gemischaus R125, R134a, R600 und R601 mit ähn-lichen Leistungsdaten und Eigenschaftenwie R413A. Das Kältemittel ist ebenfallschlorfrei (ODP = 0).

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

Falls ungenügende Ölrückführung zum Ver-dichter festgestellt wird, empfiehlt der Kälte-mittelhersteller, einen Teil der Original-Ölfül-lung durch Esteröl zu ersetzen. Aus Sichtdes Verdichterherstellers bedingt eine sol-che Maßnahme jedoch eine sehr sorgfältigeÜberprüfung der Schmierbedingungen. Fallses z.B. zu verstärkter Schaumbildung imKurbelgehäuse des Verdichters kommensollte, wird eine komplette Umstellung aufEsteröl erforderlich. Eine Zumischung oderUmstellung auf Esteröl führt zudem unterEinwirkung der hochpolaren Mischung ausEsteröl und HFKW zu verstärkter Ablösungvon Zersetzungsprodukten und Schmutz imRohrnetz. Es sind deshalb reichlich dimen-sionierte Saugreinigungsfilter vorzusehen. Weitere Hinweise siehe

"Guidelines" des

Kältemittelherstellers.

Resultierende Auslegungskriterien/ Umstellung bestehender R12-Anlagen

Verdichter und Zusatzkomponenten könnenmeistens im System verbleiben, bei R413Aund R437A ist jedoch die Eignung fürHFKW-Kältemittel zu prüfen. Die eigentlichen

"Retrofit"-Maßnahmen beschränken sich

damit im Wesentlichen auf den Austauschdes Kältemittels (ggf. Öl) und eine sorgfälti-ge Überprüfung der Überhitzungseinstellungdes Expansionsventils. Aus den relativ gro-ßen Siedepunktunterschieden der einzelnenSubstanzen resultiert ein deutlich ausge-prägter Temperaturgleit, der für die Beurtei-lung der effektiven Sauggasüberhitzungeine genaue Kenntnis der Sättigungszu-stände voraussetzt (ersichtlich aus denDampftafeln der Kältemittelhersteller undder BITZER Kältemittel App).

Zu beachten ist außerdem der Einsatzbe-reich. Wegen der steileren Leistungscharak-teristik dieser Gemische – im Vergleich zuR12 – sind für hohe und niedrige Verdamp-fungstemperaturen entweder unterschiedli-che Kältemitteltypen erforderlich oder aberdeutliche Leistungsdifferenzen zu berück-sichtigen.

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 die gesetz-lichen Bestimmungen zu beachten, siehe KapitelR22 als Übergangskältemittel, Seite 8.

Service-Gemische

16

Abb. 15 R404A/R502 – Vergleich der Druckgastemperaturen eines halbhermetischen Verdichters


Zusatz an R134a, liegt der Temperaturgleitbeim ternären Gemisch R404A im relevan-ten Anwendungsbereich unterhalb einemKelvin. Die Verhältnisse in den Wärmeüber-tragern sind dadurch nicht wesentlichanders als bei Azeotropen. Auch die Ergeb-nisse aus Wärmeübergangsmessungen zei-gen günstige Bedingungen.

R507A ist eine binäre Stoffpaarung, die sogar über einen relativ breiten Bereich einazeotropes Gemisch bildet. Die Bedingun-gen sind damit tendenziell sogar noch besser.

Die Leistungswerte (Abb. 16) ergeben nurgeringe Unterschiede zwischen den ver-schiedenen Stoffen und zeigen eine weitge-hende Übereinstimmung mit R502. Dieserklärt auch die gute Marktdurchdringungdieser Kältemittel. Mit Blick auf die thermo-dynamischen Eigenschaften sind siebesonders für gewerbliche Normal- undTiefkühlanlagen geeignet.

Typische Metallwerkstoffe sind mit HFKW-Kältemitteln verträglich, Elastomere müssenan die geänderten Bedingungen angepasstwerden. Als Schmierstoffe eignen sich Polyol-Ester-Öle (siehe Kapitel Schmierstoffe, Seite40).

Ein Manko ist das relativ hohe Treibhauspo-tenzial (GWP100 = 3922…3985), das wesent-lich von R143a und R125 bestimmt wird. Im Vergleich zu R502 ist jedoch eine Ver-besserung eingetreten, die auch im Hinblickauf den günstigen Energieverbrauch zurMinderung des TEWI-Wertes beiträgt. Wei-

tere Verbesserungen in dieser Hinsicht sindauch durch weiterentwickelte Systemsteue-rungen möglich.

Dennoch und zwar wegen des hohen Treib-hauspotenzials (GWP) wird der Einsatz vonR404A und R507A in der EU bei Neuinstal-lationen ab 2020 nicht mehr erlaubt sein.Dies ist in der seit 2015 zur Anwendungkommenden F-Gase Verordnung Nr.517/2014 geregelt. Allerdings wird diegleichzeitige Vorgabe zur gestuften Men-genbegrenzung (Phase-Down) in Verbin-dung mit einer strikten Quotenregelung beivielen Anwendungen zu einem früherenAusstieg führen. Detaillierte Informationsiehe BITZER Informationsschrift A-510.

In den USA, Kanada und Australien gibt esebenfalls Vorgaben zum Ausstieg aus R404Aund R507A. Für einen internationalen Phase-Down (ab 2019) von HFCKW- und HFKW-Kältemitteln wurde in 2016 das sog. KigaliAmendment im Rahmen des Montreal Pro-tocol vereinbart.

Alternativen mit geringerem GWP sind dieim Folgenden (ab Seite 18) behandeltenHFKW-Gemische sowie die in Entwicklungund Erprobung befindlichen HFO/HFKW-Gemische (ab Seite 24).

Für bestimmte Anwendungen sind auchhalogenfreie Kältemittel oder Kaskadensys-teme mit unterschiedlichen Kältemitteln eineOption (ab Seite 28).

R404A und R507A als Ersatz-stoffe für R22 und 502

Bei diesen Gemischen handelt es sich umchlorfreie Ersatzstoffe (ODP = 0) für R22sowie R502 im Bereich von Normal- undTiefkühlung.

Ein bereits Anfang 1992 vorgestelltes Ge-misch wurde unter dem Handelsnamen

"Suva" HP62 (DuPont) eingeführt und bei

Verdichterherstellern und Anwendern mitguten Resultaten getestet. Weitere Alterna-tiven wurden unter

"Forane®" FX70 (Arkema),

"Genetron" AZ50 (Allied Signal/Honeywell)

oder "Solkane" 507 (Solvay) angeboten.

HP62 und FX70 sind in der ASHRAE-Nomenklatur als R404A und AZ50 alsR507A geführt.

Die Basiskomponenten gehören zur Gruppeder HFKW, wobei R143a der brennbarenKategorie zuzuordnen ist. Durch die Verbin-dung mit einem relativ hohen Anteil vonR125 ist die Brennbarkeit wirksam verhindert;dies gilt auch für den Fall einer Leckage.

Merkmal aller Bestandteile ist der jeweilssehr niedrige Adiabatenexponent mit demResultat einer dem Kältemittel R502 ver-gleichbaren, tendenziell sogar geringerenDruckgastemperatur des Verdichters (Abb.15). Dadurch ist auch der wirtschaftlicheEinsatz einstufiger Verdichter bei niedrigenVerdampfungstemperaturen gewährleistet.

Bedingt durch die ähnlichen Siedepunktevon R143a und R125, bei relativ geringem


17

R407A/407B/407F/407H alsErsatzstoffe für R22 und R502

Alternativ zu den vorher behandelten Sub-stituten wurden weitere Gemischvariantenmit der ebenfalls – wie R143a – chlorfreien(ODP = 0) und brennbaren Basiskomponen-te R32 entwickelt. Dieses auch den HFKWzugehörige Kältemittel wurde zunächst inerster Linie als Kandidat für R22-Alternativenangesehen (Seite 20). Durch die große Band-breite der Gemischzusammensetzung sindaber auch ähnliche thermodynamische Eigen-schaften zu erzielen wie bei R404A/R507A.

Solche Kältemittel waren anfangs unter denHandelsnamen KLEA 60/61 (ICI) am Marktund werden in der ASHRAE-Nomenklaturals R407A/R407B* geführt.

Honeywell hat ein weiteres Gemisch mit derHandelsbezeichnung Performax LT entwick-elt (R407F nach ASHRAE-Nomenklatur) undam Markt eingeführt. Ebenso Daikin Chemi-cal mit R407H. Der R32-Anteil ist jeweilshöher als bei R407A, dafür die R125-Pro-portion entsprechend geringer. Bei R407Hresultieren daraus Einschränkungen beiTiefkühlanwendung.

Allerdings sind die Voraussetzungen fürR32-haltige Alternativen nicht ganz so güns-tig wie bei den zuvor behandelten Substitu-ten mit R143a als Basiskompo nente. Der

Siedepunkt von R32 liegt mit -52°C sehrtief, außerdem ist der Adiabatenexponentsogar noch höher als bei R22. Eine Anpas-sung der Eigenschaften an das Niveau vonR404A und R507A bedingt deshalb jeweilseinen relativ hohen Anteil an R125 undR134a. Die Brennbarkeit von R32 ist da-durch zwar wirksam unterdrückt, gleichzei-tig führen aber die großen Siedepunkts-unterschiede bei höherem R134a-Anteil zueinem größeren Temperaturgleit.

Der wesentliche Vorteil von R32 ist dasaußerordentlich geringe Treibhauspotenzial(GWP = 675), das dann selbst in Verbin-dung mit R125 und R134a noch wesentlichniedriger ist als bei den zuvor beschriebenenAlternativen mit R143a (R407A: GWP = 2107,R407F: GWP = 1825, R407H: GWP = 1490).

Damit erfüllen sie auch die Anforderung derneuen EU F-Gase Verordnung, die ab 2020nur noch Kältemittel mit GWP < 2500 erlaubt.

Untersuchungen mit R32-haltigen Gemi-schen zeigen zwar bei tieferen Verdamp-fungstemperaturen gewisse Minderleistun-gen gegenüber R404A und R507A, dieLeistungszahlen weichen aber weit wenigerab und sind bei Normalkühlung sogar höher(Abb. 18).

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


In der Anlagentechnik kann in weiten Be-reichen auf die Erfahrungen mit R22 undR502 aufgebaut werden.

Aus thermodynamischer Sicht ist ein Wär-meübertrager zwischen Saug- und Flüssig-keitsleitung zu empfehlen; Kälteleis tung undLeistungszahl werden dadurch verbessert.

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

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

o Technische Information KT-651 „Umstellung von R22-Anlagen auf

Alternativ-Kältemittel”o Technische Information KT-510

„Polyolester-Öle für Hubkolbenver-dichter“

Abb. 17 R407A, R407F/R404A – Vergleich der Druckgastemperaturen eines halbhermetischen Verdichters



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

Wesentlich ist dabei der deutlich ausgepräg-te Temperaturgleit, der sich negativ auf dieLeistung bzw. Temperaturdifferenz von Ver-dampfer und Verflüssiger auswirken kann.

Hinsichtlich der Materialverträglichkeit sindR32-Gemische ähnlich zu bewerten wieR404A und R507A; gleiches gilt auch fürdie Schmierstoffe.

Trotz der relativ hohen Anteile von R125und R134a, liegt die Druckgastemperaturhöher als bei den auf R143a basierendenAlternativen. Dies gilt insbesondere fürR407F und in noch stärkerem Maße fürR407H. Damit ergeben sich teilweise Ein-schränkungen im Anwendungsbereich undbei hohen Druckverhältnissen besondereMaßnahmen zur Verdichter-Zusatzkühlung.

Bei besonders hohen Temperaturhübenkönnen 2-stufige Verdichter sehr wirtschaft-lich eingesetzt werden. Von wesentlichemVorteil ist dabei der Einsatz eines Flüssig-keitsunterkühlers.


Für die Anlagentechnik lassen sich in vielerHinsicht die Erfahrungen mit R404A/R507Aund R22 heranziehen, wobei aber der Tem-peraturgleit sowie Unterschiede in den ther-modynamischen Eigenschaften zu berück-sichtigen sind. Dies betrifft besonders dieAuslegung und Konstruktion von Wärme-übertragern und Expansionsventilen.

Umstellung bestehender R22-Anlagenauf R407A/407B/407F/407H

Praktische Erfahrungen zeigen, dass qua-lifizierte Umrüstungen möglich sind. Wegender im Vergleich zu R22 ähnlichen volume-trischen Kälteleistung und eines nur unwe-sentlich höheren Kältemittelmassenstroms,sind die Voraussetzungen zur Umrüstungvon R22-Normal- und Tiefkühlanlagen rela-tiv günstig.

Wesentliche Komponenten können im Sys-tem verbleiben sofern sie mit HFKW-Kälte-mitteln und Esteröl kompatibel sind.

Zu berücksichtigen sind jedoch die beson-deren Anforderungen an Wärmeübertragermit Blick auf den ausgeprägten Temperatur-gleit. Eine Umstellung auf Esteröl ist eben-falls erforderlich, wodurch es zu verstärkterAblösung von Zersetzungsprodukten undSchmutz im Rohrnetz kommt. Es sind des-

halb reichlich dimensionierte Saugreini-gungsfilter vorzusehen.

Umstellung bestehender R404A/R507A-Anlagen auf R407A/407B/407F/407H

Größere Unterschiede in den thermodyna-mischen Eigenschaften (z.B. Massenstrom,Druckgastemperatur) und der Temperatur-gleit von R407A/F/H können bei Umstellungbestehender Anlagen einen Austausch vonRegelkompomponenten und ggf. die Nach-rüstung von Zusatzkühlung der Verdichtererfordern. Bei neu erstellten Anlagen ist eine spezifi-sche Auslegung der Komponenten und desSystems vorzunehmen.

BITZER bietet ein umfassendes Pro-gramm halbhermetischer Hubkolben-und Schraubenverdichter für R407A undR407F an. Eine individuelle Auslegungvon Verdichtern für R407H ist auf An-frage möglich.

R422A als Ersatzstoff für R22 und R502

R422A (ISCEON MO79 – Chemours) wurdeu.a. mit dem Ziel entwickelt, ein chlorfreiesKältemittel (ODP = 0) für die einfache Um-stellung bestehender R22- und R502-Nor-mal- und Tiefkühlanlagen anzubieten.

Hierzu war es erforderlich, ein in Leistungs-daten und Energieeffizienz mit R404A,R507A und R22 vergleichbares Kältemittelzu formulieren, das auch den Einsatz kon-ventioneller Schmierstoffe ermöglicht.

Es handelt sich um ein zeotropes Gemischmit den Basiskomponenten R125 und R134asowie einem geringen Zusatz von R600a.Wegen des relativ hohen R134a-Anteils liegtder Temperaturgleit (siehe Kapitel Kältemit-teldaten, Seite 42) höher als bei R404A,jedoch niedriger als bei anderen Kältemit-teln mit den gleichen Gemischkomponenten– wie z.B. R417A und 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 daraus Vor-teile ergeben, im Falle niedriger Druckver-hältnisse und Sauggasüberhitzung kanndies wegen tendenziell höherer Kältemittel-anreicherung bei Einsatz von Esteröl abernachteilig sein.

Die Materialverträglichkeit ist mit den zuvorbehandelten Gemischen vergleichbar; glei-ches gilt auch für die Schmierstoffe. Wegendes guten Löslichkeitsvermögens vonR600a können unter günstigen Vorausset-zungen auch konventionelle Schmierstoffezum Einsatz kommen.

Vorteile ergeben sich insbesondere bei derbereits erwähnten Umstellung bestehenderR22- und R502-Systeme. Bei Anlagen mithoher Ölzirkulationsrate und/oder großemFlüssigkeitsvorrat im Sammler kann es aller-dings zu Ölverlagerung kommen – z.B. beiInstallationen ohne Ölabscheider.

Falls ungenügende Ölrückführung zum Ver-dichter festgestellt wird, empfiehlt der Kälte-mittelhersteller, einen Teil der Original-Ölfül-lung durch Esteröl zu ersetzen. Aus Sichtdes Verdichterherstellers bedingt eine sol-che Maßnahme jedoch eine sehr sorgfältigeÜberprüfung der Schmierbedingungen. Fallses z.B. zu verstärkter Schaumbildung imKurbelgehäuse des Verdichters kommensollte, wird eine komplette Umstellung aufEsteröl* erforderlich. Eine Zumischung oderUmstellung auf Esteröl führt unter Einwir-kung der hochpolaren Mischung aus Esterölund HFKW zu verstärkter Ablösung von Zer-setzungsprodukten und Schmutz im Rohr-netz. Es sind deshalb reichlich dimensionier-te Saugreinigungsfilter vorzusehen. Weitere Hinweise siehe „Guidelines“ desKältemittelherstellers.

Aus thermodynamischer Sicht ist ein Wär-meübertrager zwischen Saug- und Flüssig-keitsleitung zu empfehlen; Kälteleistung undLeistungszahl werden dadurch verbessert.Außerdem führen die resultierenden höherenBetriebstemperaturen des Verdichters zugünstigeren Schmierverhältnissen (geringereLöslichkeit).

Wegen des hohen Treibhauspotenzials(GWP ≥ 2500) wird R422A in der EU beiNeuinstallationen ab 2020 nicht mehrerlaubt sein. Anforderungen und Einschrän-kungen sind in der F-Gase Verordnung517/2014 geregelt.

* Generelle Empfehlung bei Schraubenverdichternsowie Flüssigkeitskühlsätzen bei Verwendung vonEinspritzverdampfern mit innenstrukturierten Wärme-übertragerrohren. Zudem ist eine individuelle Über-prüfung mit Blick auf eventuelle Zusatzmaßnahmenerforderlich.

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

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Ersatzstoffe für R22 in Klima-anlagen und Wärmepumpen

Nachdem das HFCKW-Kältemittel R22 (ODP= 0,05) nur noch als Übergangslösung akzep-tiert wird, ist eine Reihe chlorfreier (ODP = 0)Alternativen entwickelt und eingehend unter-sucht worden. Sie werden in größerem Um-fang in realen Anlagen eingesetzt.

Die Erfahrungen zeigen jedoch, dass keinesder betreffenden Substitute das KältemittelR22 in allen Belangen ersetzen kann. Unter-schiede zeigen sich u.a. in der spezifischenKälteleistung, Einschränkungen im Anwen-dungsbereich, Besonderheiten bei derSystemauslegung oder auch in wesentlichabweichenden Drucklagen. Je nach Ein-satzbedingungen kommen daher verschie-dene 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, deren Ver-wendung jedoch spezifischen Kriterienunterliegt (Beschreibung ab Seite 28).

Darüber hinaus kommen auch R32 sowieHFO/HFKW-Gemische als Alternativen inBetracht (siehe Kapitel R32 sowie HFO/HFKW-Gemische, Seite 23ff).

Abb. 19 R407C/R22 – Vergleich der Leistungsdaten eines halbhermetischen Verdichters

Abb. 20 R407C/R22 – Vergleich der Drucklagen

t

t

t

t

Damit erfüllt R407C auch die Anforderungder EU F-Gase Verordnung, die ab 2020nur noch Kältemittel mit GWP < 2500erlaubt. Allerdings wird die Mengenbegren-zung durch den „Phase-Down“ ebenfalls zudeutlichen Einschränkungen in der Verfüg-barkeit führen.

Nachteilig für übliche Anwendungen ist derhohe Temperaturgleit, der eine angepassteAnlagentechnik erfordert und sich auch ne-gativ auf die Effizienz der Wärmeübertragerauswirken kann (siehe Kapitel AllgemeineEigenschaften zeotroper Gemische, Seite 13).

Auf Grund der erwähnten Eigenschaften istR407C in erster Linie ein R22-Substitut fürKlimasysteme sowie Wärmepumpen und – unter Einschränkung – auch für Normal-kühlung. Wegen des hohen R134a-Anteilsist bei Tiefkühlanwendung eine deutlicheMinderung von Kälteleistung und Leistungs-zahl zu berücksichtigen. Zudem verstärktsich die Gefahr einer erhöhten R134a-Anrei-cherung des Gemisches im Verdampfer mitder Folge von Leistungsminderung undFehlfunktion des Expansionsventils (z.B.ungenügende Sauggasüberhitzung).

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

R407C als Ersatzstofffür R22

Gemische mit den HFKW-Kältemitteln R32,R125 und R134a wurden mit Blick auf dasfrühzeitige Verwendungsverbot von R22 inder EU als bevorzugte Kandidaten für einekurzfristig umsetzbare Substitution von R22angesehen – Leistungswerte und Wirtschaft-lichkeit sind sehr ähnlich (Abb. 19).Zunächst wurden zwei Gemische gleicherZusammensetzung unter den Handelsna-men AC9000* (DuPont) und KLEA66* (ICI)angeboten. Sie werden in der ASHRAE-Nomenklatur als R407C geführt. Darüberhinaus gibt es noch weitere Gemischvarian-ten (z.B. R407A/R407F/407H) mit veränder-ter Zusammensetzung, deren Eigenschaftenfür bestimmte Anwendungen optimiert sind(siehe Seite 18).

Im Gegensatz zu den Ersatzstoffen für R22in Kälteanlagen mit identischen Komponen-ten (Seiten 18 und 19), enthalten die Sub-stitute für R22 in Klimasystemen und Wär-mepumpen höhere Anteile an R32 undR134a. Damit wird hinsichtlich Drucklagen,Massenstrom, Dampfdichte und volumetri-scher Kälteleistung eine gute Übereinstim-mung mit den Eigenschaften von R22erreicht. Außerdem ist das Treibhauspoten-zial (GWP = 1774) relativ niedrig.

* Frühere Handelsnamen werden nicht mehr verwendet.

Ersatzstoffe für R22 in A/C Systemen und Wärmepumpen

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

Der ausgeprägte Temperaturgleit erforderteine spezielle Auslegung von wesentlichenAnlagenkomponenten (u.a. Verdampfer, Verflüssiger, Expansionsventil). Dabei ist zu berücksichtigen, dass Wärmeübertrager be-vorzugt in Gegenstrombauweise und mitoptimierter Kältemittelverteilung ausgeführtwerden sollten. Besondere Anforderungenbestehen auch hinsichtlich der Einstellungvon Regelgeräten und der Handhabungbeim Service.

Darüber hinaus ist der Einsatz in Anlagenmit überflutetem Verdampfer nicht zu emp-fehlen. Es sind starke Konzentrationsver-schiebungen bzw. Schichtung im Verdamp-fer zu erwarten.

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

Umstellung bestehender R22-Anlagen

Auf Grund der zuvor erwähnten Kriterienlassen sich keine allgemein gültigen Leitli-nien definieren, eine individuelle Überprü-fung ist deshalb jeweils notwendig.

Abb. 21 R410A/R22 – Vergleich der Leistungsdaten eineshalbhermetischen Verdichters

Abb. 22 R410A/R22 – Vergleich der Drucklagen

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R410A als Ersatzstofffür R22

Neben R407C wird das nahe-azeotropeGemisch mit der ASHRAE-KennzeichnungR410A angeboten und in großem Umfangbis zu mittleren Leistungsgrößen in Klima-und Wärmepumpen-Anwendungen einge-setzt.

Wesentliches Merkmal ist eine im Vergleichzu R22 fast 50% höhere volumetrische Käl-teleistung (Abb. 21), jedoch mit der Konse-quenz eines ebenso deutlichen Anstiegsder Drucklagen (Abb. 22).

Energiebedarf/Leistungszahl (COP) er-scheinen bei hohen Verflüssigungstempe-raturen zunächst ungünstiger als bei R22.Dies ist wesentlich bedingt durch die ther-modynamischen Eigenschaften. Anderer-seits können sehr hohe Gütegrade (bei Kol-ben- und Scrollverdichtern) erreicht werden,wodurch sich real geringere Unterschiedeergeben.

Hinzu kommen die in vielen Testreihenermittelten hohen Wärmeübergangskoeffi-zienten in Verdampfern und Verflüssigernmit dem Resultat besonders günstigerBetriebsbedingungen. Bei optimierter Ausle-gung kann damit im System durchaus einehöhere Gesamteffizienz erreicht werden alsmit anderen Kältemitteln.

Wegen des nahezu vernachlässigbarenTemperaturgleits (< 0,2 K) sind auch dieEinsatzmöglichkeiten gleich zu bewertenwie bei Einstoff-Kältemitteln.

Die Materialverträglichkeit ist mit den zuvorbehandelten Gemischen vergleichbar; glei-ches gilt auch für Schmierstoffe. Allerdingssind dabei das Druckniveau und die höherespezifische Belastung der Bauteile zu be-rücksichtigen.


Für die Anlagentechnik lassen sich diegrundsätzlichen Auslegungskriterien fürHFKW-Gemische übertragen, jedoch unterdem Gesichtspunkt des hohen Druckni-veaus (43°C Verflüssigungstemperatur ent-spricht bereits 26 bar abs.).

Für R22 ausgelegte Verdichter und sonstigeAnlagenkomponenten sind nicht oder nurmit Einschränkungen für dieses Kältemittelgeeignet.

Die Verfügbarkeit geeigneter Verdichter undSystemkomponenten ist jedoch gesichert.

Bei der Anpassung des Systems an die fürR22 bisher üblichen Anwendungsbereichesind zunächst die deutlich voneinander abweichenden thermodynamischen Eigen-schaften zu berücksichtigen (z.B. Druckla-gen, Massen- und Volumenstrom, Dampf-dichte). Dies erfordert u.a. wesentliche


21

Hieraus ergeben sich unterschiedliche Leis-tungsparameter und Schwerpunkte im An-wendungsbereich.

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

Ein ebenfalls zur Kategorie HFKW/KW-Gemische gehörendes Kältemittel wurde2009 unter dem Handelsnamen ISCEONMO99 (Chemours) vorgestellt – ASHRAE-Kennzeichnung R438A. Die Formulierungwurde gezielt auf eine höhere kritische Tem-peratur für Anwendungen in heißen Klima-zonen ausgerichtet. Basiskomponentensind R32, R125, R134a, R600 und R601a.

Bei allen vier Ersatz-Kältemitteln handelt essich, wie bei R407C, um zeotrope Gemi-sche mit mehr oder weniger ausgeprägtemTemperaturgleit. Insofern gelten auch hier-für die im Zusammenhang mit R407C beschrie-benen Kriterien.

Trotz ähnlicher Kälteleistung bestehen we-sentliche Unterschiede in den thermodyna-mischen Eigenschaften und im Öltransport-verhalten. Der hohe R125-Anteil bewirkt beiR417A/B und R422D einen höheren Mas-senstrom als bei R407C, deutlich geringereDruckgastemperatur und eine relativ hoheÜberhitzungsenthalpie. Diese Eigenschaftenlassen darauf schließen, dass sich Unter-schiede bei der Optimierung von System-komponenten ergeben und der Einsatzeines Wärmeübertragers zwischen Flüssig-keits- und Saugleitung vorteilhaft ist.

Trotz des überwiegenden Anteils an HFKW-Kältemitteln ist der Einsatz von konventio-nellen Schmierstoffen teilweise möglich undzwar bedingt durch das gute Löslichkeits-vermögen des Kohlenwasserstoff-Anteils.Bei Anlagen mit hoher Ölzirkulationsrateund/oder großem Flüssigkeitsvorrat imSammler kann es allerdings zu Ölverlage-rung kommen. In solchen Fällen werdenZusatzmaßnahmen erforderlich. Weitere Informationen zu Ölzirkulation undSchmierstoffen siehe Kapitel

"R422A als

Ersatzstoff für R502 und R22" (Seite 19).

Wegen des hohen Treibhauspotenzials(GWP ≥ 2500) werden R417B sowie R422Din der EU bei Neuinstallationen ab 2020

nicht mehr erlaubt sein. Anforderungen undEinschränkungen sind in der F-Gase Ver-ordnung 517/2014 geregelt. Allerdings wirddie Mengenbegrenzung durch den „Phase-down“ ebenfalls zu deutlichen Einschrän-kungen in der Verfügbarkeit von R417A undR438A führen.

BITZER Verdichter sind für den Einsatzvon R417A/417B/422D/438A geeignet.Eine individuelle Auslegung ist aufAnfrage möglich.

R427A als Ersatzstoff für R22

Dieses Kältemittelgemisch wurde vor eini-gen Jahren unter dem Handelsnamen Forane® FX100 (Arkema) am Markt einge-führt und ist in der ASHRAE-Nomenklaturals R427A gelistet.

Das R22-Substitut wird zur Umstellung be-stehender R22-Anlagen angeboten, für dieeine

"Null-ODP-Lösung" gefordert wird. Es

handelt sich um ein HFKW-Gemisch mitden Basis komponenten R32/R125/R143a/R134a.

Trotz der Gemischkomposition auf Basis rei-ner HFKW-Kältemittel ist lt. Hersteller einevereinfachte Retrofit-Prozedur möglich.

Dies wird durch den R143a-Anteil begüns-tigt. Danach genügt bei Umstellung von R22auf R427A ein einmaliger Austausch der Ori-ginal-Ölfüllung gegen Esteröl. ZusätzlicheSpülvorgänge sind nicht erforderlich, da An-teile an Mineralöl und/oder Alkylbenzol vonbis zu 15% die Ölzirkulation im System nichtwesentlich beeinflussen.

Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dasses unter Einwirkung der hochpolaren Mi-schung aus Esteröl und HFKW zu verstärk-ter Ablösung von Zersetzungsprodukten undSchmutz im Rohrnetz kommt. Es sind des-halb reichlich dimensionierte Saugreini-gungsfilter vorzusehen.

Hinsichtlich Kälteleistung, Drucklagen, Mas-senstrom und Dampfdichte liegt R427Arelativ nahe an R22. Wichtige Komponentenwie z.B. Expansionsventile können beiUmrüstung in der Anlage verbleiben.Die Druckgastemperatur ist auf Grund deshohen Anteils an Gemisch-Komponentenmit niedrigem Adiabatenexponent deutlich

konstruktive Änderungen an Verdichtern,Wärmeübertragern und Armaturen sowieMaßnahmen zur schwingungstechnischenAbstimmung. Hinzu kommen erhöhte si-cherheitstechnische Anforderungen, die sichu.a. auch auf die Qualität und Dimensionie-rung von Rohrleitungen und flexiblen Lei-tungselementen (bei Verflüssigungstempe-raturen von ca. 60°C für 40 bar!) auswirken.

Ein weiteres Kriterium ist die relativ niedrigekritische Temperatur von 73°C. Unabhängigvon der Auslegung hochdruckseitiger Kom-ponenten ist damit die Verflüssigungstem-peratur eingeschränkt.

R410A erfüllt die Anforderung der EU F-Gase Verordnung, die ab 2020 nur nochKältemittel mit GWP < 2500 erlaubt. Aller-dings wird die Mengenbegrenzung durchden "Phase-Down" ebenfalls zu deutlichenEinschränkungen in der Verfügbarkeit füh-ren. Auf Grund des bislang außerordentlichhohen Bedarfs an R410A ist in der EU einezeitnahe Umstellung auf Alternativen drin-gend erforderlich.

BITZER bietet jeweils eine Baureihehalbhermetischer Hubkolbenverdichtersowie Scrollverdichter für R410A an.

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

Ebenso wie bei R422A (Seite 19) war einesder Ziele bei diesen Entwicklungen, chlor-freie Kältemittel (ODP = 0) für die einfacheUmstellung bestehender R22-Anlagen an-zubieten.

R417A ist schon seit Jahren am Markt ein-geführt und wird auch unter dem Handels-namen ISCEON MO59 (Chemours) vertrie-ben. Dieses R22-Substitut enthält dieGemischkomponenten R125/R134a/R600und unterscheidet sich dadurch z.B. we-sentlich von R407C mit einem entspre-chend hohen Anteil an R32.

Unterdessen wird ein weiteres Kältemittelauf Basis identischer Komponenten, je-doch mit höherem R125-Anteil unter derBezeichnung R417B angeboten. Wegendes geringeren R134a-Anteils liegen dievolumetrische Kälteleistung, aber auch dieDrucklagen höher als bei R417A.

22


geringer als bei R22, was sich bei hohenDruckverhältnissen positiv auswirkt.

Zu berücksichtigen ist, dass es sich eben-falls um ein zeotropes Gemisch mit ausge-prägtem Temperaturgleit handelt. Deshalbgelten auch hier die im Zusammenhang mitR407C beschriebenen Kriterien.

R427A erfüllt die Anforderung der EU F-Gase Verordnung, die ab 2020 nur nochKältemittel mit GWP < 2500 erlaubt. Aller-dings wird die Mengenbegrenzung durchden „Phase-Down“ ebenfalls zu deutlichenEinschränkungen in der Verfügbarkeit füh-ren.

BITZER Verdichter sind für R427Ageeignet. Eine individuelle Auslegungist auf Anfrage möglich.

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

o Technische Information KT-651 „Umstellung von R22-Anlagen auf

Alternativ-Kältemittel”

R32 als Ersatzstoff für R22

Wie bereits zuvor beschrieben, gehört R32zur Gruppe der HFKW-Kältemittel, wurdeaber bisher hauptsächlich nur als Kompo-nente in Kältemittel-Gemischen verwendet.Eine wesentliche Barriere für den Einsatzals Reinstoff liegt bisher in der Brennbar-keit. Dies bedingt entsprechende Füllmen-genbeschränkungen und/oder zusätzlicheSicherheitsmaßnamen insbesondere beiInstallationen innerhalb von Gebäuden.Hinzu kommen sehr hohe Drucklagen undDruckgastemperaturen (höher als bei R22und R410A).

Andererseits hat R32 sehr günstige ther-modynamische Eigenschaften, wie z.B.besonders hohe Verdampfungsenthalpieund volumetrische Kälteleistung, geringeDampfdichte (niedriger Druckabfall in Rohr-leitungen), äußerst geringen Massenstromund günstigen Energiebedarf bei der Ver-dichtung. Außerdem ist das Treibhauspo-tenzial relativ niedrig (GWP100 = 675).

Mit Blick auf diese günstigen Eigenschaf-ten und unter dem Gesichtspunkt der an-gestrebten weiteren Emissionsminderungwird R32 künftig auch als Kältemittel fürfabrikmäßig gefertigte Systeme (Klimage-räte, Wärmepumpen) mit geringen Kälte-mittelfüllmengen verstärkt zum Einsatzkommen.

In Brennbarkeitstests wurde nachgewiesen,dass die erforderliche Zündenergie sehrhoch und die Flammgeschwindigkeit geringist. Auf Grund dieser Eigenschaften wurdeR32 (wie z.B. R1234yf und R1234ze) in dieneue Sicherheitsgruppe A2L nach ISO 817eingestuft.

Die resultierenden Sicherheitsanforderun-gen werden in der überarbeiteten EN 378(Neufassung 2017) geregelt.

R32 gilt auch als Alternative für Systememit größeren Füllmengen, z.B. Flüssigkeits-kühlsätze für Klima- und Prozessanwen-dungen und Wärmepumpen, die bisher mitR410A betrieben werden. Hierbei sindjedoch je nach Aufstellungsort der Anlageentsprechende Füllmengenbegrenzungenzu beachten. Bei Installation im Freien(ohne Zugang nicht autorisierter Personen)sowie in Maschinenräumen (z.B. nach EN378-3:2017) gibt es hingegen keine derarti-gen Einschränkungen. Zu berücksichtigenist jedoch, dass mit R32 vorgefüllte Kühl-sätze ggf. besonderen Auflagen beim Trans-port unterliegen (nach Druckgeräterichtlinieist R32 unter Fluid-Gruppe 1 eingestuft).

BITZER Scrollverdichter der BaureihenORBIT GSD6 und GSD8 sind für denEinsatz von R32 freigegeben. Je nachProduktgruppe ist ggf. eine spezielleVerdichterausführung erforderlich.

Abb. 23 R32/R410A – Vergleich der Leistungs- und Betriebsdaten eines Scroll-Verdichters

Δ

R

23


„Low GWP” HFOs undHFO/HFKW-Gemische alsAlternativen zu HFKWs

Durch die Entscheidung zum Einsatz des

"Low GWP" Kältemittels R1234yf in Kfz-Kli-

maanlagen (siehe Seiten 11/12) wurdeunterdessen auch die Entwicklung vonAlternativen für andere mobile Anwendun-gen sowie stationäre Kälte-, Klima- undWärmepumpensysteme initiiert.

Primäre Ziele sind dabei der Einsatz vonEinstoff-Kältemitteln sowie Gemischen mitdeutlich reduziertem GWP bei ähnlichenthermodynamischen Eigenschaften wie dieheute überwiegend eingesetzten HFKWs.

Eine wesentliche Komponente hierfür istR1234yf (CF3CF=CH2). Dieses Kältemittelgehört zur Gruppe der Hydro-Fluor-Olefine(HFO). Es handelt sich dabei um ungesät-tigte HFKW mit chemischer Doppelbindung.Aus dieser Gruppe steht eine weitere Sub-stanz mit der Bezeichnung R1234ze(E) zurVerfügung, die bisher vorwiegend als Treib-mittel für PU-Schaum und Aerosol verwen-det wurde. R1234ze(E) unterscheidet sichvon R1234yf durch eine andere Molekül-struktur.

Beide Substanzen zeichnen sich als in derSumme ihrer Eigenschaften bevorzugteKandidaten aus und werden ebenfalls alsBasiskomponenten in HFO/HFKW-Gemi-schen verwendet. Das Treibhauspotenzialist sehr gering – R1234yf mit GWP 4 undR1234ze(E) mit GWP 7. Allerdings sind dieKältemittel entflammbar (SicherheitsgruppeA2L), wodurch je nach Aufstellort der Anla-ge Füllmengenbegrenzungen zu berück-sichtigen sind. Hinzu kommen noch Fragenzur Langzeitstabilität im Kältekreislauf beiden üblicherweise sehr langen Lebenszy-klen stationärer Anlagen. Außerdem ist dievolumetrische Kälteleistung relativ gering;sie liegt bei R1234yf etwa auf dem Niveauvon R134a, bei R1234ze(E) sogar um mehrals 20% niedriger.

Eine gewisse Unsicherheit besteht häufighinsichtlich Brennbarkeit. In Sicherheitsda-tenblättern wird R1234ze(E) als nichtbrennbar deklariert. Dies gilt allerdings nurfür Transport und Lagerung. Bei Einsatz alsKältemittel gilt eine höhere Bezugstempe-ratur für Entflammbarkeitstests von 60°C.Bei dieser Temperatur ist R1234ze(E)

brennbar und daher wie R1234yf in Sicher-heitsgruppe A2L eingestuft.

R1234ze(E) wird teilweise als R134a-Sub-stitut bezeichnet, liegt jedoch in der volu-metrischen Kälteleistung um mehr als 20%unterhalb R134a oder R1234yf. Der Siede-punkt (-19°C) schränkt zudem die Anwen-dung bei tieferen Verdampfungstemperatu-ren stark ein. Der bevorzugte Einsatz liegtdeshalb bei Flüssigkeitskühlsätzen undHochtemperaturanwendungen. WeitereInformationen hierzu siehe Kapitel Kältemit-tel für Sonderanwendungen, Seite 37.

Die Liste weiterer potenzieller Kältemittelaus der HFO-Gruppe ist relativ lang. Aller-dings gibt es nur wenige Substanzen, dieden hohen Anforderungen hinsichtlich ther-modynamischer Eigenschaften, Brennbar-keit, Toxizität, chemischer Stabilität, Ver-träglichkeit mit Materialien und Schmier-stoffen entsprechen. Dazu gehören z.B. dienicht brennbaren (Sicherheitsgruppe A1)Niederdruck-Kältemittel R1336mzz(Z),R1233zd(E) und R1224yd(Z), die jedoch inerster Linie für Flüssigkeitskühlsätze mitgroßen Turboverdichtern eine Option bie-ten oder mit Verdrängerverdichtern inHochtemperaturanwendungen eingesetztwerden können. R1233zd(E) und R1224yd(Z)gehören zur Gruppe der HCFO (Hydro-Chlor-Fluor-Olefine); sie haben ein (sehr)geringes Ozonabbaupotenzial (ODP). BeiFreisetzung in die Atmosphäre erfolgtjedoch ein rascher Zerfall des Moleküls.

Hingegen stehen aktuell keine Kandidatenaus der HFO-Familie mit ähnlicher volume-trischer Kälteleistung wie R22/R407C,R404A/R507A und R410A für eine kom-merzielle Anwendung zur Verfügung. Direk-te Alternativen für diese Kältemittel mitdeutlich geringerem GWP müssen dem-nach als Gemisch von R1234yf und/oderR1234ze(E) mit HFKW-Kältemitteln, ggf.auch geringen Anteilen an Kohlenwasser-stoffen oder CO2,

"formuliert" werden.

Bedingt durch die Eigenschaften der alsGemischkomponenten geeigneten HFKW-Kältemittel, stehen jedoch Brennbarkeitund GWP in einem diametralen Zusammen-hang. Anders ausgedrückt: Gemische alsAlternativen zu R22/R407C mit einem GWP< ca. 900 sind brennbar. Dies gilt ebensobei Alternativen für R404A/R507A in Gemi-schen mit GWP < ca. 1300 sowie fürR410A in Gemischen mit GWP < ca. 2000.

Grund hierfür ist der jeweils hohe GWP dererforderlichen nicht brennbaren Kompo-nenten. Es gibt dabei einige Ausnahmen,die im Kapitel „Weitere Entwicklungspro-jekte mit Low GWP Kältemitteln“, Seite 26,behandelt werden.Für R134a-Alternativen ist die Situationgünstiger. Bedingt durch den bereits relativniedrigen GWP von R134a ermöglicht eineMischung mit R1234yf und/oder R1234ze(E)eine Formulierung nicht brennbarer Kälte-mittel mit GWP ca. 600.

So werden primär zwei Entwicklungsrich-tungen verfolgt: o Nicht brennbare HFKW-Alternativen

(Gemische) mit GWP-Werten entspre-chend zuvor genannten Grenzen –Sicherheitsgruppe A1. Diese Kältemittelkönnen dann hinsichtlich Sicherheitsan-forderungen in gleicher Weise eingesetztwerden wie derzeit verwendete HFKWs.

o Brennbare HFKW-Alternativen (Gemi-sche) mit GWP-Werten unterhalb zuvorgenannten etwaigen Grenzen – nachSicherheitsgruppe A2L (für schwachbrennbare Kältemittel).

Diese Gruppe von Kältemitteln unterliegtdann u.a. Füllmengenbeschränkungennach den künftig gültigen Normen für A2LKältemittel.

Mittlerweile gibt es einige Entwicklungspro-jekte unter Verwendung von Komponentenmit wesentlich höherer volumetrischer Käl-teleistung und Drucklage als R1234yf undR1234ze(E). Damit können dann Gemi-sche mit R32 als Alternative zu R410A „for-muliert“ werden, die für bestimmte Eigen-schaften optimiert sind. Siehe dazuergänzende Informationen im Kapitel Wei-tere Entwicklungsprojekte mit "Low GWP"Kältemitteln, Seite 26.

Nicht brennbare R134a-Alternativen

Neben den bereits beschriebenen brennbarenHFO-Kältemitteln R1234yf und R1234ze(E),stehen mittlerweile auch nicht brennbareGemische als R134a-Alternativen zur Verfü-gung. Wie zuvor erwähnt, ist hierfür die Aus-gangssituation am günstigsten.

Es können GWP-Werte von ca. 600 er-reicht werden. Dies entspricht weniger alsder Hälfte im Vergleich zu R134a (GWP =1430). Darüber hinaus können solche Ge-mischvarianten azeotrope Eigenschaften

HFOs und HFO/HFKW-Gemische

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aufweisen, sie lassen sich daher wie Ein-stoff-Kältemittel anwenden.

Seit einiger Zeit wird ein von Chemoursentwickeltes Gemisch mit der BezeichnungOpteonTM XP10 in größerem Umfang inrealen Anlagen eingesetzt. Die bisher vor-liegenden Ergebnisse sind vielversprechend.

Dies gilt gleichfalls für eine von Honeywellangebotene R134a-Alternative mit der Be-zeichnung Solstice® N-13, die sich jedochin der Gemischzusammensetzung unter-scheidet.

Die Kältemittel werden unterdessen in derASHRAE Nomenklatur unter R513A (Che-mours) und R450A (Honeywell) geführt.

Zur gleichen Kategorie gehören auch dieKältemittel-Gemische ARM-42 (ARKEMA)sowie R456A (Mexichem AC5X).

Bei diesen Optionen sind Kälteleistung,Leistungsbedarf und Drucklagen ähnlichwie bei R134a. Damit können auch Kom-ponenten und Anlagentechnologie über-nommen werden. Es werden nur geringfü-gige Änderungen wie z.B. Überhitzungsein-stellung der Expansionsventile erforderlich.

Als Schmierstoffe eignen sich Polyol-Ester,die jedoch besondere Anforderungen z.B.bei Einsatz von Additiven erfüllen müssen.

Besonders günstige Perspektiven ergebensich bei Supermarktanwendungen im Nor-malkühlbereich in Kaskade mit CO2 fürTiefkühlung. Ebenso in Flüssigkeitskühl-sätzen mit größeren Kältemittelfüllmengen,bei denen der Betrieb mit brennbaren odertoxischen Kältemitteln umfangreiche Sicher-heitsmaßnahmen erfordern würde.

Eine Besonderheit ist das Kältemittel R515B,ein azeotropes Gemisch aus R1234ze(E)und einem Anteil R227ea. Diese vom Her-steller Honeywell als R134a-Alternativedeklarierte Stoffpaarung ist trotz des sehrniedrigen GWP von ca. 300 nicht brennbar(A1).

Zu berücksichtigen ist jedoch wie beimzuvor beschriebenen R1234ze(E), dass essich nur unter Einschränkung um eine Al-ternative handelt. Die volumetrische Kälte-leistung liegt ebenfalls um mehr als 20%unterhalb R134a oder R1234yf.

Ersatzstoffe für R404A/R507A undR410A

Nachdem die zur Verfügung stehendenHFO Moleküle R1234yf und R1234ze(E)eine wesentlich geringere volumetrischeKälteleistung aufweisen als die o.g. HFKW-Kältemittel, müssen für die jeweiligen Al-ternativen relativ große Anteile an HFKWmit hoher volumetrischer Kälteleistungzugemischt werden. Die potenzielle Kandi-datenliste ist dabei ziemlich begrenzt, u.a.gehört dazu R32 mit dem Vorteil einesrelativ geringen GWP von 675.

Negativ dabei ist jedoch dessen Brennbar-keit (A2L), wobei durch Zumischung größe-rer Anteile zur Steigerung der volumetrischenKälteleistung – bei dennoch günstigemGWP – auch das Gemisch brennbar bleibt.

Andererseits muss bei einer Formulierungals nicht brennbares Gemisch ein relativgroßer Anteil an Kältemitteln mit hohemFluor-Anteil beigemischt werden (z.B. R125),mit dem dann die Brennbarkeit unterdrücktwerden kann. Nachteil hierbei ist der hoheGWP dieser Stoffe. Dies führt dazu, dassnicht brennbare Alternativen für R22/R407CGWP-Werte oberhalb ca. 900 und Optionenfür R404A/R507A GWP-Werte oberhalb ca.1300 aufweisen. Gegenüber R404A/R507Abedeutet dies aber immerhin eine Reduzie-rung auf etwa ein Drittel.

Die künftige drastische Mengenbegrenzung("Phase-Down") von F-Gasen, z.B. im Rah-

men der EU F-Gase Verordnung, führt bereitsheute zur Forderung nach R404A/R507ASubstituten mit GWP-Werten deutlich unter-halb 500. Bei entsprechender Gemischzu-sammensetzung (hohe Anteile an HFO,R152a, ggf. auch Kohlenwasserstoffe) istdies zwar möglich, jedoch mit dem Nach-teil der Brennbarkeit (SicherheitsgruppenA2L oder A2). Die Anwendung bedingtdann erhöhte Sicherheitsanforderungen undentsprechend angepasste Anlagentechnik.

Für R410A stehen derzeit keine nicht brenn-baren Alternativen für kommerzielle Anwen-dungen zur Verfügung. Hierfür können ent-weder R32 (siehe Seite 23) als Reinstoffoder Gemische von R32 und HFO einge-setzt werden. Wegen der hohen volumetri-schen Kälteleistung wird jedoch ein sehrhoher R32-Anteil erforderlich, weshalb nurGWP-Werte im Bereich von ca. 400 bis

500 erreicht werden können. Bei höheremHFO-Anteil kann der GWP noch weiterreduziert werden, allerdings mit dem Nach-teil einer deutlich reduzierten Kälteleistung.

Alle zuvor beschriebenen Gemisch-Optio-nen mit R1234yf und R1234ze(E) weisenauf Grund der Siedepunktunterschiede dereinzelnen Komponenten einen mehr oderweniger ausgeprägten Temperaturgleit auf.Hier gelten dann ebenfalls die im Zusammen-hang mit R407C beschriebenen Kriterien.

Darüber hinaus liegt die Druckgastempe-ratur bei den meisten R404A/R507A-Alter-nativen deutlich höher als bei diesen bei-den HFKW-Gemischen.

Dies kann bei einstufigen Tiefkühlsystemenzu Einschränkungen im Anwendungsbe-reich der Verdichter führen oder besondereMaßnahmen zur Zusatzkühlung erfordern.Bei Fahrzeugkühlung oder auch bei Tief-kühlsystemen mit kleineren Verflüssigungs-sätzen, können die dabei eingesetzten Ver-dichter die geforderten Einsatzbereiche aufGrund der hohen Druckgastemperaturenoftmals nicht abdecken. Deshalb wurdenebenfalls Kältemittelgemische auf Basisvon R32 und HFO, mit einem entspre-chend hohen Anteil an R125, entwickelt.Der GWP liegt dabei etwas oberhalb von2000, jedoch unterhalb des in der EU F-Gase Verordnung ab 2020 gesetzten Limitsvon 2500. Der wesentliche Vorteil solcherGemische liegt in der moderaten Druckgas-temperatur, die den Betrieb in den typi-schen Anwendungsgrenzen von R404Aermöglicht.

Tab. 4 zeigt eine Übersicht der potenziellenGemischkomponenten für die zuvor be-schriebenen Alternativen. Teilweise sinddie Komponenten für R22/R407C undR404A/R507A Substitute identisch, unter-scheiden sich dann jedoch in der prozentu-alen Verteilung.

Unterdessen werden in erster Linie vonChemours, Honeywell, Arkema, Mexichemund Daikin Chemical entsprechende Ge-mischvarianten für Labor- und Feldtests,teilweise auch bereits für die kommerzielleVerwendung angeboten. Eine Reihe vonKältemitteln sind als Entwicklungsproduktedeklariert und werden nur im Rahmen be-sonderer Vereinbarungen für Testzweckezur Verfügung gestellt. Bisher werden noch

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häufig Handelsnamen verwendet, eine grö-ßere Anzahl von HFO/HFKW-Gemischensind jedoch bereits in der ASHRAE Nomen-klatur geführt.

In Tab. 5 ist eine Anzahl derzeit lieferbarerbzw. als Entwicklungsprodukte deklarierteKältemittel gelistet. Wegen der großenVariantenvielfalt und potenziellen Änderun-gen bei Entwicklungsprodukten sind in denTabellen auf Seiten 41/42 (Tab. 6/7) vor-läufig nur Kältemitteldaten von nicht brenn-baren R134a- und R404A/R507A-Alternati-ven (GWP < 1500) aufgeführt, die bereitskommerziell angeboten werden.

Zur Erprobung von "Low GWP" Kältemittelnwurde von AHRI (USA) ein Testprogrammunter dem Titel

"Alternative Refrigerants

Evaluation Porgram (AREP)" initiiert. Hier-bei wurden ebenfalls eine Reihe der inTab. 5 aufgeführten Produkte sowie halo-genfreie Kältemittel untersucht und bewertet.

Weitere Entwicklungsprojekte mit "LowGWP" Kältemitteln

Für spezifische Anwendungen hat Che-mours eine nicht brennbare (A1) R410AAlternative entwickelt, die in bestimmtenLändern und Regionen unter dem Han-delsnamen OpteonTM XP41 angebotenwird – ASHRAE-Kennzeichnung R463A.

Es handelt sich um ein Gemisch aus R32,R125, R1234yf, R134a und CO2 mit einemGWP von 1494. Trotz des hohen Anteils anR32 und R1234yf wird die Brennbarkeitdurch Mischung mit R125, R134a und CO2unterdrückt.

Hinsichtlich Thermodynamik sind die Unter-schiede zu R410A vergleichsweise gering.Durch den Zusatz an CO2 ist jedoch einstark ausgeprägter Temperaturgleit zuberücksichtigen, der zu gewissen Ein-schränkungen in der Anwendung führenkann und besondere Anforderungen an dieAuslegung der Wärmeübertrager stellt.

Alle Gemischkomponenten und ihre Eigen-schaften sind hinreichend bekannt, wo-durch bezüglich Materialverträglichkeit imVergleich zu den bereits bekannten R410AAlternativen keine Besonderheiten beste-hen.

Die Lieferung von Verdichtern für Labor-oder Feldtests setzt eine individuelle Über-prüfung der konkreten Anwendung sowieeine besondere Vereinbarung voraus.

Mittlerweile wurde von Honeywell die Neu-entwicklung einer nicht brennbaren (A1)R410A Alternative unter dem Handelsna-men Solstice® N-41 vorgestellt – ASHRAE-Kennzeichnung R466A.

R466A ist ein Gemisch aus R32, R125 undR13I1 (CF3I Trifluoriodmethan), einem Iod-Methan-Derivat, das bisher nicht in der Käl-tetechnik verwendet wurde. CF3I ist nichtbrennbar, ebenso R125, wodurch dann dasKältemittel auch bei dem relativ hohemR32-Anteil (A2L) nicht brennbar ist (A1). Trotz des Anteils an R125 mit einem GWPvon 3500 liegt der GWP bei 733 (AR4) unddamit im Bereich von R32, R447B undR452B, die jedoch in A2L eingestuft sind.

Aus thermodynamischer Sicht sind dieUnterschiede zwischen R410A und R466Arelativ gering. Volumetrische Kälteleistung,Drucklagen und Druckgastemperatur sindgeringfügig höher, der Kältemittelmassen-strom weicht etwas mehr ab (ca. 15 bis20% höher). Der Temperaturgleit ist außer-dem sehr gering.

Unter diesen Gesichtspunkten erscheintR466A als ein aussichtsreiches Substitutfür R410A. Wegen des CF3I-Anteils gibt esaber noch Unsicherheiten hinsichtlich che-mischer Langzeitstabilität und Materialver-träglichkeit unter den besonderen Anforde-rungen im Kältekreislauf.

Weitere Untersuchungen sind erforderlich,eine abschließende Bewertung von R466Aist deshalb gegenwärtig nicht möglich.

Jedenfalls kann dieses Kältemittel nachderzeitigem Stand der Kenntnisse nicht inBestandsanlagen (Retrofit) eingesetzt wer-den. Die Lieferung von Verdichtern für La-bortests setzt eine individuelle Überprüfungder konkreten Anwendung sowie eine be-sondere Vereinbarung voraus.

AGC Chemicals propagiert R1123 (CF2=CHF) im Gemisch mit R32, teilweisemit Zusatz von R134yf, als Alternative zuR410A und reinem R32. Es handelt sichdabei um ein HCFO mit sehr geringemOzonabbaupotenzial (ODP). R1123 hateine deutlich höhere volumetrische Kälte-leistung als R1234yf oder R1234ze(E) undist unter diesem Aspekt vorteilhaft. Aller-dings liegt das Druckniveau noch höher alsbei R32 und die kritische Temperatur beinur etwa 59°C. Abgesehen davon gibt esoffene Fragen zur chemischen Langzeitsta-bilität unter den besonderen Anforderungen

im Kältekreislauf. Nach Sicherheitsdaten-blatt unterliegt diese Substanz außerdemsehr strengen Sicherheitsanforderungen.

Eine abschließende Bewertung dieserGemischvarianten ist deshalb gegenwärtignicht möglich.

Anmerkung aus Sicht eines Verdichterher-stellers: Es wäre anzustreben, die derzeitsich abzeichnende Produktvielfalt zu redu-zieren und das künftige Angebot auf weni-ge

"Standard-Kältemittel" zu beschränken.

Es wird weder für Komponenten- undSystemhersteller noch für Installations-und Service- unternehmen möglich sein,mit einer größeren Palette von Alternativenpraktisch umzugehen.

BITZER war sehr früh in verschiedenenProjekten mit HFO/HFKW-Gemischenengagiert und konnte wichtige Erkennt-nisse beim Einsatz dieser Kältemittelgewinnen. Halbhermetische Hubkolben-verdichter der ECOLINE Serie sowie CS.und HS. Schraubenverdichter könnenmit dieser neuen Kältemittel-Generationbereits eingesetzt werden.

Eine Reihe von Kältemitteln wurdenschon qualifiziert und freigegeben, diejeweiligen Leistungsdaten sind in derBITZER Software hinterlegt.

BITZER Scrollverdichter der BaureihenORBIT GSD6 und GSD8 sind für denEinsatz der R32/HFO-Gemische R452Bund R454B freigegeben. Je nach Pro-duktgruppe ist ggf. eine spezielle Ver-dichterausführung erforderlich.

Weitere Informationen zum Einsatz vonHFOs und HFO/HFKW-Gemischen sieheBroschüre A-510, Abschnitt 6 sowieInformationsschrift Nr. 378 20 386.


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Aktuelle "Low GWP" Alternativen für HFKW-Kältemittel

HFKW-Kältemittel ASHRAE Hersteller- Zusammensetzung GWP③ Sicherheits Siedetemp. Temperatur- Kennzeichnung Bezeichnung (bei Gemischen) AR4 (AR5) gruppe [°C]④ gleit [K]⑤

R450A Solstice® N-13 Honeywell R1234ze(E)/134a 604 (547) A1 -24 0,6 R456A AC5X⑥ Mexichem R32/1234ze(E)/134a 687 (627) A1 -30 4,8

R513A OpteonTM XP10 Chemours

R1234yf/134a 631 (573) A1 -30 0 R513A⑧ Daikin Chemical R515B② – Honeywell R1234ze(E)/227ea 293 (299) A1 -19 0 R1234yf verschiedene _ 4 (< 1) A2L -30 0 R1234ze(E)② verschiedene _ 7 (< 1) A2L -19 0 R444A AC5⑥ Mexichem R32/152a/1234ze(E) 92 (89) A2L -34 10 R516A ARM-42⑦ Arkema R1234yf/R152a/R134a 142 (131) A2L -29 0 R448A Solstice® N-40 Honeywell R32/125/1234yf/1234ze(E)/134a 1387 (1273) A1 -46 6,2

R449A OpteonTM XP40 Chemours

R32/125/1234yf/134a 1397 (1282) A1 -46 5,7 Forane® 449 Arkema R460B LTR4X⑥ Mexichem R32/125/1234ze(E)/134a 1352 (1242) A1 -45 8,2 R452A OpteonTM XP44 Chemours R32/125/1234yf 2140 (1945) A1 -47 3,8 R452C R452C⑦ Arkema R32/125/1234yf 2220 (2019) A1 -48 3,4 R460A LTR10⑥ Mexichem R32/125/1234ze(E)/134a 2103 (1911) A1 -45 7,4

R454A OpteonTM XL40 Chemours

R32/1234yf 239 (238) A2L -48 5,7 R454A⑧ Daikin Chemical – ARM-20b⑦ Arkema R32/1234yf/152a 251 (251) A2L -47 6,1 R454C② OpteonTM XL20 Chemours R32/1234yf 148 (146) A2L -46 7,8 R455A Solstice® L-40X Honeywell R32/1234yf/CO2 148 (146) A2L -52 12,8 R457A② ARM-20a⑦ Arkema R32/1234yf/152a 139 (139) A2L -43 7,2 R459B② LTR1⑥ Mexichem R32/1234yf/1234ze(E) 144 (143) A2L -44 7,9 R465A ARM-25⑦⑨ Arkema R32/1234yf/290 145 (143) A2 -52 11,8

R449C OpteonTM XP20 Chemours R32/125/1234yf/134a 1251 (1146) A1 -44 6,1

R32 verschiedene – 675 (677) A2L -52 0

R452B OpteonTM XL55 Chemours

R32/125/1234yf 698 (676) A2L -51 0,9 Solstice® L-41y Honeywell R454B OpteonTM XL41 Chemours R32/1234yf 466 (467) A2L -51 1,0 R459A ARM-71a⑦ Arkema R32/1234yf/1234ze(E) 460 (461) A2L -50 1,7 R463A OpteonTM XP41⑩ Chemours R32/125/1234yf/134a/CO2 1494 (1377) A1 -59 12,2 R466A Solstice® N-41⑧⑩ Honeywell R32/125/13I1(CF3I) 733 (696) A1 -52 0,7

Aktuelle Alternativen Komponenten / Gemischkomponenten für "Low GWP"

HFKW-Kältemittel Sicherheits- GWP④ R1234yf R1234ze(E) R32 R152a R134a R125 R13I1⑤ CO2

② R290② Gruppe A2L A2L A2L A2 A1 A1 A1 A1 A3 GWP 4 7 675 124 1430 3500 <1 1 3

A1 ~ 600 � � � � R134a

A2L < 150 � � � � � GWP 1430

A2L < 10 � �

A1 < 2500① � � � A1 ~ 1400 � � � � � R404A/R507A

A2L < 250 � � � GWP 3922/3985

A2L③ < 150 � � � A2 < 150 � � �

A1 900..1400 � � � � �R22/R407C A2L < 250 � � � GWP 1810/1774 A2L < 150 � � A2 < 150 � � �

A1 < 1500 � � � � �R410A A1 < 750 � � � GWP 2088 A2L < 750 � A2L ~ 400..750 � � � �

Tab. 5 "Low GWP" Alternativen für HFKW-Kältemittel

① Der vergleichsweise geringe GWP von R134a erlaubt den Einsatz dieses Kältemittels noch auf längere Sicht② Geringere volumetrische Kälteleistung als Referenz-Kältemittel③ AR4: gemäß IPCC IV // AR5: gemäß IPCC V -- Zeithorizont 100 Jahre④ Gerundete Werte⑤ Gesamt-Gleit von Siede- bis Taulinie bei 1 bar (abs.)

⑥ Entwicklungsprodukt⑦ Verfügbar 2018..2020⑧ Vermarktung voraussichtlich ab 2019 ⑨ Vorzugsweise für gewerbliche Kühl- und Gefriergeräte⑩ Siehe Hinweise unter Kapitel Weitere

Entwicklungsprojekte mit „Low GWP“ Kältemitteln

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Tab. 4 Potenzielle Gemischkomponenten für "Low GWP" Alternativen (Beispiele)

09.18

09.18

① Kälteleistung, Massenstrom, Druckgastemperatur ähnlich wie R404A② Nur geringe Anteile – wegen Temperaturgleit (CO2) und Brennbarkeit (R290)③ R32/HFO-Gemische haben geringere Kältleistung als Referenz-Kältemittel, Zumischung von CO2 führt zu hohem Temperaturgleit④ Etwaige Werte gemäß IPCC IV (AR4) ⑤ R13I1 (CF3I − Trifluoriodmethan) ist ein Iod-Methan-Derivat

R134aGWP 1430①

R22/R407CGWP 1810/1774

R410AGWP 2088

R404A/R507AGWP 3922/3985

(R22/R407)



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NH3 (Ammoniak) als Alternativ-Kältemittel

Das Kältemittel NH3 wird seit über einemJahrhundert in Industrie- und Großkältean-lagen eingesetzt. Es hat kein Ozonabbau-potenzial und keinen direkten Treibhausef-fekt. Die Wirtschaftlichkeit ist mindestensso gut wie mit R22, in Teilbereichen sogargünstiger; damit ist auch der Beitrag zumindirekten Treibhauseffekt gering. Außerdemist NH3 konkurrenzlos billig. Zusammenge-fasst also ein ideales Kältemittel und einoptimaler Ersatz für R22 oder eine Alterna-tive für HFKWs!?In der Tat hat NH3 recht positive Eigenschaf-ten, die in Großkälteanlagen auch weitge-hend nutzbar sind.

Leider gibt es auch negative Aspekte, dieeine breite Verwendung im Gewerbebereichwesentlich einschränken oder kostspielige,teilweise neu zu entwickelnde technischeLösungen erfordern.

Nachteilig bei NH3 ist zunächst der hoheAdiabatenexponent (NH3 = 1.31 / R22 =1,19 / R134a = 1,1), der eine noch deutlichhöhere Druckgastemperatur zur Folge hatals bei R22. Einstufige Verdichtung unter-liegt dadurch schon unterhalb etwa -10°CVerdampfungstemperatur gewissen Ein-schränkungen.

Auch die Frage nach geeigneten Schmier-stoffen für kleinere Anlagen ist noch nichtfür alle Anwendungsbedingungen abschlie-ßend gelöst. Die bisher meist verwendetenMineralöle und Poly-Alpha-Olefine sind mitdem Kältemittel nicht löslich. Sie müssen mit aufwändiger Technik abge-schieden werden und schränken auch denEinsatz

"trockener Verdampfer" – wegen

Beeinträchtigung des Wärmeübertragung –wesentlich ein.

Bedingt durch die hohen Druckgastempe-raturen sind auch besondere Anforderungenan die thermische Stabilität der Schmier-stoffe zu stellen. Dies gilt besonders unterdem Gesichtspunkt eines automatischenBetriebs, bei dem das Öl jahrelang im Kreis-lauf verbleiben soll und dabei keinesfalls anStabilität verlieren darf.NH3 hat eine außerordentlich hohe Enthal-piedifferenz und damit einen vergleichswei-se geringen umlaufenden Massenstrom(ca. 13 bis 15% im Vergleich zu R22).

Diese für Großanlagen günstige Eigenschafterschwert die Einspritzregelung bei kleinenLeistungen.

Als weiteres Kriterium ist die korrosive Wir-kung gegenüber Kupferwerkstoffen anzuse-hen; Rohrleitungen müssen deshalb in Stahlausgeführt werden. Außerdem ist damitauch die Entwicklung NH3-beständiger Mo-torwicklungen, als Basis für eine halbher-metische Bauweise, wesentlich behindert.Erschwerend hinzu kommt dabei noch dieelektrische Leitfähigkeit des Kältemittels beihöherem Feuchtigkeitsanteil.

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


Bezogen auf den bisherigen "Stand der

Technik" erfordern industrielle NH3-Systemeeine – im Vergleich zu üblichen Gewerbesys-temen – völlig andere Anlagentechnik.

Wegen der Unlöslichkeit mit dem Schmierölund den spezifischen Eigenschaften desKältemittels sind hoch effiziente Ölabschei-der sowie überflutete Verdampfer mitSchwerkraftumlauf oder Pumpensystemüblich. Wegen möglicher Gefahren für Men-schen und Kühlgut kann der Verdampferauch häufig nicht direkt an der Wärmequel-le angeordnet werden. Der Wärmetransportmuss dann über einen Sekundärkreislauferfolgen.

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

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

In Abhängigkeit von Anlagengröße und Käl-temittelfüllmenge sind entsprechende Si-cherheitseinrichtungen sowie spezielle Ma-schinenräume vorzusehen.

Der Kältemittelverdichter wird üblicherweisein

"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 einfache-re Systeme zu entwickeln, die sich auch imGewerbebereich einsetzen lassen.

Ein Teil dieser Entwicklungsprogrammebefasst sich mit teillöslichen Schmierstoffenzur verbesserten Ölzirkulation im System.Alternativ hierzu werden auch vereinfachteMethoden für eine automatische Rückfüh-rung unlöslicher Öle untersucht.

BITZER ist in diesen Projekten stark engagiert und hat eine größere Anzahl von Verdichtern im Einsatz. Die bisheri-gen Erfahrungen zeigen aber, dass Anla-gen mit teillöslichen Ölen technisch nurschwer zu beherrschen sind. Der Feuch-tigkeitsgehalt im System hat einen we-sentlichen Einfluss auf die chemischeStabilität des Kreislaufs und das Ver-schleißverhalten des Verdichters. Beihoher Kältemitteleinlagerung im Öl(Nassbetrieb, unzureichende Öltempe-ratur) führt die enorme Volumenverän-derung von verdampfendem NH3 außer-dem zu starkem Verschleiß an Lager-stellen und Gleitringdichtung.Die Entwicklungen werden weitergeführt;Schwerpunkte sind dabei auch Alterna-tivlösungen mit unlöslichen Schmierstof-fen.

Außerdem haben verschiedene Apparate-hersteller spezielle Wärmeübertrager ent-wickelt, mit denen sich die Kältemittelfüllungbeträchtlich reduzieren lässt. Es gibt einenstarken Trend zu sog. „Low Charge“ Syste-men, u.a. mit Blick auf Sicherheitsanforde-rungen, die auch wesentlich von der Kälte-mittelfüllmenge bestimmt sind.

Darüber hinaus gibt es auch Lösungen füreine

"Hermetisierung" von NH3-Anlagen.

Es handelt sich dabei um kompakte Flüssig-keitskühler mit Füllmengen unter 50 kg, diein einem geschlossenen Container – teil-weise mit integrierter Wasservorlage zurBindung von NH3 im Leckagefall – installiertsind.

Derartige Kompaktsätze können auch inBereichen aufgestellt werden, die bisherwegen der Sicherheitsvorschriften nur Anla-gen Kältemitteln der Sicherheitsgruppe A1


29

Abb. 24 Vergleich von Druckgastemperaturen Abb. 25 NH3/R22 – Vergleich der Drucklagen

η

Umstellung bestehender Anlagen

Das Kältemittel NH3 eignet sich nicht für dieUmstellung bestehender (H)FCKW- oderHFKW-Anlagen; sie müssten mit allen Kom-ponenten völlig neu erstellt werden.

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

o Technische Information KT-640 „Einsatz von Ammoniak (NH3)

als Alternativ-Kältemittel“

R723 (NH3/DME) als Alternative zu NH3

Die zuvor beschriebenen Erfahrungen beimEinsatz von NH3 in gewerblichen Kälteanla-gen mit Direktverdampfung waren Anlass fürweitergehende Untersuchungen auf Basisvon NH3 unter Zusatz einer öllöslichen Kälte-mittelkomponente. Wesentliche Ziele dabeiwaren eine Verbesserung des Öltransport-verhaltens und der Wärmeübertragung mit kon-ventionellen Schmierstoffen sowie eine redu-zierte Druckgastemperatur für denerweiterten Anwendungsbereich mit einstufi-gen Verdichtern.

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 inzwischen ineiner Reihe von realen Anlagen eingesetztwird. Als überwiegend anorganisches Kälte-mittel erhielt es entsprechend der üblichenKältemittelnomenklatur wegen seiner mittle-ren Molmasse von 23 kg/kmol die Bezeich-nung R723.

vorbehalten waren. Eine Beurteilung überden Einsatz von NH3-Kompakt-Systemen –anstelle von Anlagen mit HFKW-Kältemit-teln und konventioneller Technik – ist nurauf individueller Basis unter Berücksichti-gung der jeweiligen Anwendung möglich.Aus rein technischer Sicht und unter derVoraussetzung eines akzeptablen Kostenni-veaus, wird eine breitere Angebotspalette inabsehbarer Zeit zu erwarten sein.

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

ter (Hubvolumen 19 bis 152 m3/h bei 1450 min-1) für Klima-, Normalküh-lung und Booster-Einsatz

o Offene Schraubenverdichter (Fördervolumen 84 bis 1015 m3/h – bei Parallelbetrieb bis 4060 m3/h –bei 2900 min-1) für Klima-, Normal- und Tiefkühlung.

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

DME wurde auf Grund seines guten Löslich-keitsvermögens und der hohen Eigenstabi-lität als Zusatzkomponente ausgewählt. Eshat einen Siedepunkt von -26°C, einen rela-tiv niedrigen Adiabatenexponenten, ist nichttoxisch und steht technisch in hoher Reinheitzur Verfügung. NH3 und DME bilden in dergenannten Konzentration ein azeotropesGemisch mit einem leichten Druckanstieggegenüber reinem NH3. Der Siedepunkt liegtbei -36,5°C (NH3 -33,4°C), 26 bar (abs.) Verflüssigungsdruck entsprechend 58,2°C(NH3 59,7°C).

Die Druckgastemperatur im Klima- und Nor-malkühlbereich reduziert sich um etwa 10 bis25 K (Abb. 24) und ermöglicht dadurch eineErweiterung des Anwendungsbereichs hin zuhöheren Druckverhältnissen. Auf Basis ther-modynamischer Berechnungen ergibt sichin der Kälteleistung ein Anstieg im einstelli-gen Prozentbereich gegenüber NH3. DieLeistungszahl liegt ähnlich und ist – experi-mentell bestätigt – bei hohen Druckverhält-nissen sogar günstiger. Auf Grund desgeringeren Temperaturniveaus bei der Ver-dichtung ist zumindest bei Hubkolbenver-dichtern mit zunehmendem Druckverhältnisauch ein verbesserter Liefer- und Gütegradzu erwarten.

Bedingt durch das höhere Molekulargewichtvon DME steigen Massenstrom und Dampf-dichte gegenüber NH3 um nahezu 50% an,was aber bei gewerblichen Anlagen, zumalin Kurzkreislaufen, weniger von Belang ist.In klassischen Großkälteanlagen ist diesjedoch ein wesentliches Kriterium, u.a. mitBlick auf Druckabfälle und Kältemittelzirkula-tion. Auch unter diesen Gesichtspunktenwird deutlich, dass R723 bei gewerblichenAnwendungen und insbesondere im Bereichvon Flüssigkeitskühlsätzen seinen bevorzug-ten Einsatzbereich hat.

Die Materialverträglichkeit ist mit NH3 gleichzu setzen. Obwohl unter der Voraussetzungeines minimalen Wassergehalts (< 1000 PPM)im System auch Buntmetalle (z.B. CuNi-Legierungen, Bronzen, Hartlote) potenzielleinsetzbar sind, empfiehlt sich dennoch eineSystemausführung entsprechend typischerAmmoniak-Praxis.

Als Schmierstoffe können Mineralöle oder(bevorzugt) Polyalpha-Olefine zum Einsatzkommen. Wie zuvor erwähnt, bewirkt derDME-Anteil eine verbesserte Öllöslichkeit

und partielle Mischbarkeit. Von positivemEinfluss auf die Ölzirkulation ist außerdemdie relativ niedrige Flüssigkeitsdichte undeine erhöhte Konzentration von DME im zir-kulierenden Öl. PAG-Öle wären mit R723zwar im üblichen Anwendungsbereich volloder weitgehend mischbar, sind aber ausGründen der chemischen Stabilität undhohen Löslichkeit im Ölsumpf des Verdich-ters (starke Dampfentwicklung in Lagern)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 den DME-Anteil verringert sich die Zündgrenze in Luftvon 15 auf 6%. Dennoch ist das Azeotrop in der Sicherheitsgruppe B2 eingestuft,könnte jedoch bei einer Neubewertung eineÄnderung erfahren.


In der Anlagentechnik kann auf die Erfah-rungen mit den zuvor beschriebenen NH3-Kompaktanlagen zurückgegriffen werden.Allerdings sind Anpassungen in der Kom-ponentenauslegung unter Berücksichtigungdes höheren Massenstroms erforderlich.Dabei ist durch geeignete Auslegung desVerdampfers und des Expansionsventils einesehr stabile Überhitzungsregelung sicherzu-stellen. Bedingt durch die verbesserte Öllös-lichkeit kann sich "Nassbetrieb" deutlich nega-tiver auswirken als bei NH3-Systemen mitunlöslichem Öl.

Für Installation und Betrieb gelten hinsicht-lich Sicherheitsvorschriften die gleichen Kri-terien wie bei NH3-Anlagen.

Als Verdichter eignen sich spezielle NH3-Ausführungen, die jedoch ggf. an die Mas-senstrombedingungen und den kontinuier-lich zirkulierenden Ölumlauf angepasstwerden müssen. Ein Ölabscheider ist beiHubkolbenverdichtern meist nicht erforder-lich.

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

R290 (Propan) als Alternativ-Kältemittel

R290 (Propan) ist eine organische Verbin-dung (Kohlenwasserstoff) und hat wederOzonabbaupotenzial noch nennenswertendirekten Treibhauseffekt. Zu berücksichtigenist jedoch ein gewisser Beitrag zum Som-mer-Smog.

Drucklagen und Kälteleistung sind ähnlichwie bei R22 und das Temperaturverhalten sogünstig wie mit R134a.

Es gibt keine besonderen Materialprobleme.Im Gegensatz zu NH3 eignen sich auchKupferwerkstoffe, wodurch der Einsatz vonhalbhermetischen und hermetischen Ver-dichtern möglich ist. Als Schmierstoffe lassensich in einem weiten Anwendungsbereichdie in HFCKW-Systemen üblichen Mineral-öle verwenden. Noch günstigere Eigen-schaften bieten Polyol-Ester (POE) undPolyalpha-Olefine (PAO).

Kälteanlagen mit R290 sind weltweit seitvielen Jahren, vornehmlich im industriellenBereich, in Betrieb – es handelt sich um ein

"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 Flüssigkeitskühlsätzen.

Propan wird auch im Gemisch mit Isobutan(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 Sicherheitsgruppe A3 einge-stuft sind. Bei den in gewerblichen Sys-temen üblichen Kältemittel-Füllmengenbedeutet dies eine Ausführung und Risiko-analyse des Systems entsprechend Explo-sionsschutz-Bestimmungen.

Der Einsatz halbhermetischer Verdichter insog. "dauerhaft geschlossenen" Systemenunterliegt in diesem Fall den Bedingungen für die Gefährdungszone 2 (nur seltene undkurzzeitige Gefährdung). Zu den sicherheits-technischen Anforderungen gehören dabei

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Abb. 26 R290/R1270/R22 – Vergleich der Leistungsdaten eines halbhermetischen Verdichters

Abb. 27 R290/R1270/R22 – Vergleich der Drucklagen

u.a. spezielle Schutzeinrichtungen gegenDrucküberschreitung sowie Besonderheitenin Ausführung und Anordnung elektrischerBetriebsmittel. Außerdem sind Maßnahmenzu treffen, die im Falle eines Kältemittelaus-tritts eine gefahrlose Entlüftung gewährleis-ten, damit in keinem Fall ein zündfähigesGasgemisch entstehen kann.

Die Ausführungsbestimmungen sind in Nor-men festgelegt (z.B. EN 378). Außerdemkann eine Bewertung entsprechend EURahmenrichtlinie 94/9/EG (ATEX) erforder-lich werden. Bei offenen Verdichtern hat diesggf. 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 Massenstrom zuberücksichtigen (ca. 55 bis 60% im Ver-gleich zu R22). Vorteilhaft ist in diesemZusammenhang auch die Möglichkeit zuwesentlich reduzierter Kältemittelfüllung.

Aus thermodynamischer Sicht ist ein innererWärmeübertrager zwischen Saug- undFlüssigkeitsleitung zu empfehlen; Kälteleis-tung und Leistungszahl werden dadurchverbessert.

Aufgrund der besonders hohen Löslichkeitvon R290 (und R1270) in herkömmlichenSchmierstoffen werden die BITZER R290/R1270-Verdichter mit einem speziellen Ölbefüllt, das einen hohen Viskositätsindexund besonders gute tribologische Eigen-schaften aufweist.Auch in diesem Zusammenhang ist eininnerer Wärmeübertrager von Vorteil. Er führt zu höheren Betriebstemperaturen,damit zu geringerer Löslichkeit mit derFolge verbesserter Ölviskosität.

Auf Grund des äußerst günstigen Tempera-turverhaltens (Abb. 24) sind einstufige Ver-dichter bis etwa -40°C Verdampfungstem-peratur einsetzbar. Damit wäre R290 auchals Alternative zu einigen HFKW-Gemischenanzusehen.

Für R290 steht eine Palette an ECOLINEVerdichtern sowie CS. Kompakt-Schrau-benverdichtern zur Verfügung. Wegen derbesonderen Anforderungen ist jedocheine spezielle Verdichterausführung er-forderlich.

Bei Anfragen und Bestellungen ist eindeutlicher Hinweis auf R290 erforderlich.Die Auftragsabwicklung schließt außer-dem eine individuelle Vereinbarung zwi-schen den Vertragspartnern ein.Offene Hubkolbenverdichter sind eben-falls für R290 lieferbar. Dazu gehört einumfassendes Programm an eventuellerforderlichen ex-geschützten Zusatz-komponenten.

Umstellung bestehender Anlagen mitR22 oder HFKW

Bedingt durch besonderen Sicherheitsmaß-nahmen bei Einsatz von R290 erscheinteine Umstellung bestehender Anlagen nurin Ausnahmefällen möglich.Sie beschränkt sich auf Systeme, die mitvertretbarem Aufwand den entsprechendenSicherheitsvorschriften angepasst werdenkönnen.

Ergänzende BITZER-Informationen zurAnwendung von R290(auch unter http://www.bitzer.de)

o Technische Information KT-660 „Einsatz von Propan und Propen mit

halbhermetischen Verdichtern“


Propylen (R1270) als Alternative zu Propan

Seit einiger Zeit wird auch zunehmend derEinsatz von Propylen (Propen) als R22- oderHFKW-Substitut in Erwägung gezogen.Durch die – gegenüber R290 – höhere volu-metrische Kälteleistung und eine tiefere Sie-detemperatur ist die Anwendung in Normal-und Tieftemperaturanlagen (z.B. in Flüssig-keitskühlsätzen) von besonderem Interesse.Allerdings sind höhere Drucklagen (>20%)und Druckgastemperaturen zu berücksichti-gen, die den Einsatzbereich wiederum ein-schränken.

Die Materialverträglichkeit ist mit Propanvergleichbar, gleiches gilt auch für dieSchmierstoffauswahl.Propylen ist ebenfalls leicht entflammbarund gehört zur Sicherheitsgruppe A3. Es gelten deshalb die gleichen Sicherheits-bestimmungen wie für Propan (Seite 31).

Wegen der chemischen Doppelbindung istPropylen relativ reaktionsfreudig, bei hoherDruck- und Temperaturbelastung bestehtdeshalb die Gefahr von Polymerisation.Untersuchungen bei Herstellern von Kohlen-wasserstoffen und Stabilitätstests in realen

Kreisläufen belegen jedoch, dass die Reak-tivität in Kälteanlagen praktisch nicht vor-handen ist. Verschiedentlich wurden in derLiteratur auch Bedenken hinsichtlich derkarzinogenen Wirkung von Propylen geäu-ßert. Durch entsprechende Studien konntediese Annahme jedoch ausgeräumt werden.


Für die Anlagentechnik lassen sich dieErfahrungen von Propan weitgehend über-tragen. Wegen der höheren volumetrischenKälteleistung (Abb. 26) ist jedoch eine korri-gierte Dimensionierung der Komponentenerforderlich. Das Fördervolumen des Ver-dichters wird entsprechend kleiner unddamit auch der saug- und hochdruckseitigeVolumenstrom. Durch die höhere Dampf-dichte ist der Massenstrom jedoch nahezuidentisch mit R290. Wegen annäherndgleicher Flüssigkeitsdichte gilt dies ebenfallsfür das zirkulierende Flüssigkeitsvolumen.

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

Für R1270 steht eine Palette an ECOLINEVerdichtern und CS. Kompakt-Schrau-benverdichtern zur Verfügung. Wegender besonderen Anforderungen ist jedocheine spezielle Verdichterausführungerforderlich.

Bei Anfragen und Bestellungen ist eindeutlicher Hinweis auf R1270 erforderlich.Die Auftragsabwicklung schließt außer-dem eine individuelle Vereinbarung zwi-schen den Vertragspartnern ein.Offene Hubkolbenverdichter sind eben-falls für R1270 lieferbar. Dazu gehörtein umfassendes Programm an even-tuell erforderlichen ex-geschütztenZusatzkomponenten.

Ergänzende BITZER-Informationen zurAnwendung von R1270(auch unter http://www.bitzer.de)

o Technische Information KT-660 „Einsatz von Propan und Propen mit

halbhermetischen Verdichtern“

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Abb. 28 R744(CO2) – Druck-/Enthalpie-Diagramm

31,06°C

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Abb. 29 R744 (CO2)/R22/R404A – Vergleich der Drucklagen

subkritischen Betrieb erlauben. In diesemZusammenhang ist auch anzumerken, dassdie Wärmeübergangswerte von CO2 we-sentlich höher sind als bei anderen Kälte-mitteln – mit dem Potential sehr geringerTemperaturdifferenzen in Verdampfern, Ver-flüssigern und Gaskühlern. Außerdem sinddie erforderlichen Rohrleitungsquerschnittesehr klein und der Einfluss des Druckabfallsvergleichsweise gering. Bei Einsatz als Sekun-därfluid ist zudem der Energiebedarf für Um-wälzpumpen äußerst niedrig.

In den folgenden Ausführungen werdenzunächst einige Beispiele für subkritischeSysteme und die resultierenden Ausle-gungskriterien behandelt. In einem zusätz-lichen Abschnitt folgen noch Erläuterungenzu transkritischen Anwendungen.

Subkritische CO2-Anwendungen

Eine auch aus energetischer Sicht und hin-sichtlich Drucklagen sehr vorteilhafte An-wendung bietet sich für industrielle und größere gewerbliche Kälteanlagen an. Hier-für kann CO2 als Sekundärfluid in einemKaskadensystem verwendet werden – beiBedarf in Kombination mit einer weiterenVerdichtungsstufe für tiefere Verdampfungs-temperaturen (Abb. 30).

Kohlendioxid R744 (CO2) als Alternativ-Kältemittel undSekundär-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 direktenTreibhauseffekt (GWP = 1), ist chemischinaktiv, nicht brennbar und im klassischenSinne nicht toxisch. CO2 unterliegt deshalbauch nicht den stringenten Anforderungenhinsichtlich Anlagendichtheit wie z.B.HFKWs (F-Gase Verordnung) und brennbareoder toxische Kältemittel. Zu berücksichti-gen ist jedoch der im Vergleich zu HFKWsgeringere Grenzwert in Luft. In geschlosse-nen Räumen können entsprechende Sicher-heits- und Überwachungseinrichtungenerforderlich werden.

CO2 ist auch kostengünstig und es gibtkeine Notwendigkeit zur Rückgewinnung undEntsorgung. Hinzu kommt eine sehr hohevolumetrische Kälteleistung, die je nachBetriebsbedingungen etwa dem 5- bis 8-fachen von R22 und NH3 entspricht.

Vor allem die sicherheitsrelevanten Eigen-schaften waren ein wesentlicher Grund fürden anfangs weit verbreiteten Einsatz.

Schwerpunkt in der Anwendung waren z.B.Schiffs-Kälteanlagen. Mit Einführung der

"(H)FCKW-Sicherheitskältemittel" wurde CO2

zurückgedrängt und war seit den 1950er-Jahren nahezu vom Markt verschwunden.

Wesentliche Ursachen sind die für üblicheAnwendungen in der Kälte- und Klimatech-nik relativ ungünstigen thermodynamischenEigenschaften.

Die Drucklage von CO2 ist extrem hoch unddie kritische Temperatur mit 31°C (74 bar)sehr niedrig. Je nach Wärmeträgertempera-tur auf der Hochdruckseite erfordert dieseine transkritische Betriebsweise mit Drück-en bis weit über 100 bar. Unter diesen Be-dingungen ist die Wirtschaftlichkeit gegen-über einem klassischen Kaltdampfprozess(mit Verflüssigung) meist geringer und damitder indirekte Treibhauseffekt entsprechendhöher.

Dennoch gibt es eine Reihe von Anwen-dungen, bei denen CO2 sehr wirtschaftlichund mit günstiger Öko-Effizienz eingesetztwerden kann. Dazu gehören z.B. subkri-tisch betriebene Kaskadenanlagen, aberauch transkritische Systeme, bei denen derTemperaturgleit auf der Hochdruckseite vor-teilhaft nutzbar ist oder die Systembedin-gungen über lange Betriebsperioden einen


Die Betriebsweise ist jeweils subkritisch unddamit auch eine gute Wirtschaftlichkeit ge-währleistet. Im dafür günstigen Anwendungs-bereich (ca. -10 bis -50°C) sind auch dieDrucklagen noch auf einem Niveau, für dasbereits verfügbare oder in Entwicklung be-findliche Komponenten (z.B. für R410A) mitvertretbarem Aufwand angepasst werdenkönnen.

Resultierende Auslegungs- undAusführungskriterien

Für die Hochtemperaturstufe einer solchenKaskade lässt sich ein kompakter Kühlsatzverwenden, dessen Verdampfer auf der Se-kundärseite als Verflüssiger für CO2 dient.Als Kältemittel eignen sich chlorfreie Stoffe(NH3, KW oder auch HFKW, HFO und HFO/HFKW-Gemische).

Bei NH3 sollte der Kaskadenkühler so aus-geführt werden, dass die gefürchtete Bil-dung von Hirschhornsalz im Falle einer Leckage verhindert wird. In Brauereien wird diese Technik seit langem eingesetzt

In Großkälteanlagen entspricht der Sekun-därkreis für CO2 in seinem prinzipiellen Auf-bau weitgehend einem Niederdruck-Pum-pensystem, wie es häufig bei NH3-Systemenausgeführt wird. Der wesentliche Unter-

schied besteht darin, dass die Verflüssigungdes CO2 im Kaskadenkühler erfolgt und derSammelbehälter (Abscheider) nur als Vor-ratsbehälter dient.

Die äußerst hohe volumetrische Kälteleis-tung von CO2 (latente Wärme durch Pha-senwechsel) führt dabei zu einem sehrgeringen Massenstrom und ermöglicht klei-ne Rohrquerschnitte und minimalen Ener-giebedarf für die Umwälzpumpen.

Bei der Kombination mit einer weiteren Ver-dichtungsstufe (z.B. für Tiefkühlung) gibt esverschiedene Lösungen.

Folgende Abbildung zeigt eine Variante mitzusätzlichem Sammler, der von einem odermehreren Booster-Verdichtern auf denerforderlichen Verdampfungsdruck abge-saugt wird. Das Druckgas wird ebenfalls inden Kaskadenkühler eingespeist, verflüssigtund in den nachgeschalteten Sammlerabgeleitet. Von dort aus erfolgt die Einspei-sung in den Niederdruckabscheider (TK)über eine Schwimmereinrichtung.

An Stelle klassischer Pumpenzirkulationkann die Booster-Stufe auch als sog. LPR-System (Low Pressure Receiver) ausgeführtsein. Dadurch erübrigen sich Umwälzpum-pen, wobei aber die Anzahl der Verdampfer

mit Rücksicht auf eine gleichmäßige Einspritz-verteilung des CO2 stärker eingeschränkt ist.

Für den Fall eines längeren Anlagenausfallsmit starkem Druckanstieg kann das CO2über Sicherheitsventile an die Atmosphäreabgelassen werden. Alternativ hierzu wer-den auch zusätzliche Kühlsätze zur CO2Verflüssigung verwendet, mit denen längereAbschaltperioden ohne kritische Druckerhö-hung überbrückt werden können.

Für Systeme in gewerblichen Anwendungenist auch eine Ausführung mit Direkt-Expan-sion möglich.

Hierfür bieten Supermarktanlagen mit ihremüblicherweise weit verzweigten Rohrnetzund Schockfroster ein besonders gutesPotenzial. Das Normalkühlsystem wird dannkonventionell oder mittels Sekundärkreislaufausgeführt und für die Tiefkühlung miteinem CO2-Kaskadensystem (für subkriti-sche Betriebsweise) kombiniert. Ein System-beispiel ist in Abb. 31 dargestellt.

Für eine allgemeine Anwendung sind aller-dings derzeit noch nicht alle Voraussetzun-gen erfüllt. Es gilt zu berücksichtigen, dasseine in vielfacher Hinsicht veränderte Anla-gentechnik und auch speziell abgestimmteKomponenten erforderlich werden.

Abb. 31 Konventionelle Kälteanlage kombiniert mit CO2-Tiefkühlkaskade

Abb. 30 Kaskadensystem mit CO2 für industrielle Anwendung

VereinfachteDarstellung


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Transkritische CO2-Anwendungen

Der transkritische Prozess ist u.a. dadurchcharakterisiert, dass die Wärmeabfuhr aufder Hochdruckseite isobar, aber nicht iso-therm verläuft. Im Gegensatz zum Verflüs-sigungsvorgang bei subkritischem Betrieberfolgt hierbei eine Gaskühlung (Enthitzung)mit entsprechendem Temperaturgleit. DerWärmeübertrager wird deshalb als Gas-kühler bezeichnet. Solange der Betrieb ober-halb des kritischen Drucks (74 bar) erfolgt,wird nur Dampf hoher Dichte gefördert.Eine Verflüssigung stellt sich erst nach Ex-pansion auf ein niedrigeres Druckniveau ein – z.B. durch Zwischenentspannung ineinen Mitteldrucksammler. Je nach Tempe-raturverlauf der Wärmesenke kann ein fürtranskritischen Betrieb ausgelegtes System

auch subkritisch und unter diesen Bedin-gungen mit verbessertem Wirkungsgradbetrieben 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 in

Abhängigkeit 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 jewei-ligen Betriebsbedingungen angepasstwerden (siehe Systembeispiel, Abb. 32).

Wie zuvor beschrieben, erscheint die trans-kritische Betriebsweise bei rein thermody-namischer Betrachtung hinsichtlich Energie-Effizienz eher ungünstig. Dies trifft auchtatsächlich auf Systeme mit einem relativhohen Temperaturniveau der Wärmesenkeauf der Hochdruckseite zu. Allerdings kön-nen dabei zur Effizienzverbesserungzusätzliche Maßnahmen getroffen werdenwie z.B. der Einsatz von Parallelverdichtung(Economiser-System) und/oder Injektorensowie Expander zur Rückgewinnung derDrosselverluste bei der Expansion des Käl-temittels.

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 Tempera-turgradienten zwischen Druckgaseintritt inden Gaskühler und Eintrittstemperatur derWärmesenke kann eine sehr niedrige Gas-austrittstemperatur erreicht werden. Begüns-tigt wird dies durch den Verlauf des Tempe-raturgleit und die relativ hohe mittlere Tem-peraturdifferenz zwischen CO2-Dampf undWärmeträger-Fluid. Die niedrige Gasaustritts-temperatur führt zu einer besonders hohenEnthalpiedifferenz und damit zu einer hohenSystem-Leistungszahl.

Brauchwasser-Wärmepumpen kleinerer Leis-tung werden bereits in hohen Stückzahlenproduziert und eingesetzt. Anlagen für mitt-lere bis größere Leistungen (z.B. Hotels,Schwimmbäder, Trocknungssysteme) müs-sen individuell geplant und ausgeführt wer-

den. Deren Anzahl ist deshalb noch be-grenzt, jedoch bei gutem Aufwärtstrend.Neben diesen spezifischen Anwendungengibt es auch eine Reihe von Entwicklungenfür die klassischen Bereiche der Kälte- undKlimatechnik. Hierzu gehören z.B. Super-markt-Kälteanlagen. Inzwischen werdenAnlagen mit Verdichtern im Parallelverbundbereits in größerem Umfang eingesetzt. Es handelt sich dabei überwiegend um sog.Booster-Systeme, bei denen der Normal-und Tiefkühlkreislauf direkt (ohne Wärme-übertrager) miteinander verbunden ist. DieBetriebserfahrungen und dort ermitteltenEnergiekosten zeigen vielversprechendeErgebnisse. Allerdings liegen die Investi-tionskosten noch über klassischen Anlagenmit HFKWs und Direktverdampfung.

Gründe für die günstigen Energiekosten lie-gen einerseits an den bereits weitgehendoptimierten Komponenten und der System-steuerung sowie den zuvor beschriebenenVorteilen hinsichtlich Wärmeübertragungund Druckabfall. Andererseits werden dieseAnlagen bevorzugt in Klimazonen einge-setzt, die auf Grund des jahreszeitlichenTemperaturprofils sehr hohe Laufzeiten beisubkritischer Betriebsweise erlauben.

Zur weiteren Steigerung der Effizienz vonCO2 Supermarktsystemen und bei derenEinsatz in wärmeren Klimazonen kommenauch zunehmend die zuvor beschriebenenTechnologien mit Parallelverdichtungund/oder Injektoren zur Anwendung.

Insofern, aber auch mit Blick auf die sehranspruchsvolle Technik und die hohenAnforderungen an die Qualifikation von Pla-nern und Service-Fachleuten, kann dieCO2-Technologie nicht pauschal als Ersatzfür Anlagen mit HFKW-Kältemitteln angese-hen werden.


Detaillierte Informationen hierzu würden denRahmen dieser Informationsschrift spren-gen. Jedenfalls unterscheiden sich System-technik und -Steuerung wesentlich vonüblichen Anlagen. Bereits mit Blick aufDrucklagen, Volumen- und Massenstrom-verhältnisse müssen speziell entwickelteKomponenten, Regelgeräte und Sicher-heitseinrichtungen sowie entsprechend aus-gelegte Rohrleitungen verwendet werden.

So müssen z.B. die Verdichter wegen deshohen Dampfdichte- und Druckniveaus (ins-besondere auf der Saugseite) speziell aus-gelegt werden. Besondere Anforderungenbestehen auch hinsichtlich der Werkstoffe;außerdem darf nur hochgradig getrocknetesCO2 zum Einsatz kommen.

Auch die Schmierstoffe sind sehr hohenAnforderungen ausgesetzt. KonventionelleÖle sind meist nicht mischbar und erfor-dern deshalb aufwändige Maßnahmen fürdie Rückführung aus dem System. Anderer-seits ist beim Einsatz mischbarer bzw. gutlöslicher POE eine starke Viskositätsminde-rung zu berücksichtigen. Weitere Informa-tionen zu Schmierstoffen siehe Seite 40und Abb. 37, Seite 44.

Für subkritische CO2 Anwendungenbietet BITZER zwei Baureihen speziellerVerdichter an.

Ergänzende BITZER-Information zur Verdichterauswahl für subkritische CO2-Systeme(auch unter http://www.bitzer.de)

o Prospekt KP-120Halbhermetische Hubkolbenverdichterfür subkritische CO2-Anwendung (Still-standsdrücke ND/HD bis 30/53 bar)

o Prospekt KP-122Halbhermetische Hubkolbenverdichterfür subkritische CO2-Anwendung(Stillstandsdrücke HD/ND bis 100 bar)

o Weitere Publikationen auf Anfrage


CO2 in Kfz-Klimaanlagen

Im Rahmen der bereits seit längerem dis-kutierten Maßnahmen zur Reduzierung vondirekten Kältemittel-Emissionen und dem inder EU bestehenden 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 geringere Wir-kungsgrade aufweisen als leistungsgleichestationäre Anlagen. Gründe dafür liegen inden spezifischen Einbauverhältnissen undden relativ hohen Druckverlusten in Rohrlei-

tungen und Wärmeübertragern. Bei CO2hat der Druckabfall einen wesentlich gerin-geren Einfluss. Außerdem wird der System-wirkungsgrad noch zusätzlich durch diehohen Wärmeübergangswerte in den Wär-meübertragern begünstigt.

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

Aus heutiger Sicht ist keine Prognose darü-ber möglich, ob sich die CO2 Technologie indieser Anwendung auf längere Sicht durchsetzen kann.Dies ist sicherlich auch von den Erfahrun-gen mit den von der Automobil-Industrieinzwischen eingeführten "Low GWP" Kälte-mitteln (siehe Kapitel "Low GWP" HFO-Käl-temittel R1234yf und R1234ze(E), Seite 11)abhängig. Dabei werden u. a. Betriebssi-cherheit, Kosten und die weltweite Logistikeine gewichtige Rolle spielen.

Abb. 32 Beispiel für transkritisches CO2 Booster-System

Ergänzende BITZER-Information zur Verdichterauswahl für transkritischeCO2-Systeme(auch unter http://www.bitzer.de)

o Prospekt KP-130Halbhermetische Hubkolbenverdichterfür transkritische CO2-Anwendung

o Weitere Publikationen auf Anfrage

Besonders anspruchsvoll ist die Verdichter-technik. Die besonderen Anforderungenbedingen eine vollkommen eigenständigeKonstruktion. Dies betrifft u.a. Design, Ma-terialien (Berstsicherheit), Fördervolumen,Triebwerk, Auslegung der Arbeitsventile,Schmiersystem sowie Verdichter- und Mo-torkühlung. Die hohe thermische Belastungschränkt dabei den Einsatzbereich für ein-stufige Verdichtung stark ein. Tiefkühlungerfordert zweistufige Betriebsweise, wobeieine Aufteilung in getrennte Hoch- undNiederdruckverdichter bei Verbundsyste-men besonders vorteilhaft ist. Für die Schmierstoffe gelten in noch stär-kerem Maße die zuvor im Zusammenhangmit subkritischen Systemen beschriebenenKriterien. Weitere Informationen zu Schmier-stoffen siehe Seite 40 und Abb. 37, Seite 44.

In verschiedenen Bereichen ist noch Ent-wicklungsaufwand erforderlich, transkriti-sche CO2-Technologie kann noch nichtgenerell als Stand der Technik bezeichnetwerden.

Für transkritische CO2 Anwendungen bie-tet BITZER eine weitreichende Palettespezieller Verdichter an.Der Einsatz ist auf bestimmte Anwendun-gen ausgerichtet, individuelle Prüfungund Bewertung sind deshalb erforderlich.


36


37

R124 und R142b als Ersatzstoffe fürR114 und R12B1

An Stelle der früher in Hochtemperatur-Wärmepumpen und Kranklimaanlagen ver-wendeten Kältemittel R114 und R12B1können bis dato in den meisten Regionenaußerhalb der EU noch die HFCKW R124und R142b als Alternativen eingesetztwerden. Dabei ist auch der Betrieb mitlangjährig erprobten Schmierstoffen mög-lich – vorzugsweise Mineralöle und Alkyl-benzole hoher Viskosität.Wegen des Ozongefährdungspotenzials istder Einsatz nur als Übergangslösung anzu-sehen. In EU-Mitgliedstaaten ist der Einsatzvon HFCKW-Kältemitteln nicht mehr erlaubt.Für R124 und R142b gelten die gleichenBestimmungen wie für R22 (Seite 8).Zu berücksichtigen ist auch die Brennbarkeitdes R142b und die daraus resultierendenSicherheitsauflagen (Sicherheitsgruppe A2).

Resultierende Auslegungskriterien /Umstellung bestehender Anlagen

Mit Siedetemperaturen im Bereich von etwa-10°C ergeben sich jeweils größere Diffe-renzen in Drucklage und spezifischer Kälte-leistung, vor allem im Vergleich zu R114.Damit ist auch der Anwendungsbereich zuhöheren Verdampfungs- und Verflüssi-gungstemperaturen stärker eingeschränkt.

Eine Umrüstung bestehender Anlagen be-dingt meist den Austausch von Verdichterund Regelgeräten. Wegen des geringerenVolumenstroms (höhere spezifische Kälte-leistung) kann auch eine Anpassung desVerdampfers und der Saugleitung erforder-lich werden.

Durch mehrjährigen Einsatz in realenAnlagen konnte die Eignung der BITZER Verdichter mit R124 und R142bnachgewiesen werden. Je nach Anwen-dungsbereich und Verdichterbauartsind jedoch Anpassungsmaßnahmenerforderlich. Leistungsdaten sowie wei-tere Ausführungshinweise sind aufAnfrage erhältlich.

Chlorfreie Ersatzstoffe für Sonderanwendungen

Wegen des relativ begrenzten Marktes fürSysteme in Hochtemperatur-Anwendungenund im Extra-Tieftemperaturbereich, wirddie Entwicklung von Alternativ-Kältemittelnund Systemkomponenten für diese Berei-che mit weniger Nachdruck behandelt.

Inzwischen wurde eine Reihe von Alternati-ven 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.

Alternativen für R114 und R12B1

Als geeignete Substitute gelten R227ea undR236fa, die jedoch wegen ihres relativ hohenGWP in der EU ab 2020 in neuen Anlagennicht mehr eingesetzt werden dürfen.

R227ea ist nicht als vollwertiger Ersatz an-zusehen. Tests und Erfahrungen in realenAnlagen zeigen zwar günstige Resultate,mit einer kritischen Temperatur von 102°Cist die Verflüssigungstemperatur aber beiüblicher Anlagentechnik auf 85...90°C begrenzt.

R236fa bietet zumindest in dieser Hinsichtgünstigere Voraussetzungen – die kritischeTemperatur liegt oberhalb 120°C. Nachteiligist jedoch die geringere volumetrische Käl-teleistung. Sie liegt ähnlich wie bei R114und damit etwa 40% niedriger als mit demderzeit für Hochtemperatur-Anwendungenweit verbreiteten R124.

Falls Sicherheitsvorschriften den Einsatzvon Kohlenwasserstoffen (Sicherheitsgrup-pe A3) erlauben, wäre R600a (Isobutan)eine besonders interessante Alternative. Miteiner kritischen Temperatur von 135°C sindVerflüssigungstemperaturen von 100°C undmehr zu erreichen. Die volumetrische Kälte-leistung ist mit R124 ziemlich identisch.

Als potentieller Kandidat für Hochtempera-tur-Anwendungen ist auch das "Low GWP"Kältemittel R1234ze(E) einzustufen (Seite 24).Im Vergleich zu R124 ist die Kälteleistungzwischen 10 und 20% höher und die Druck-lage um ca. 25%. Bei identischer Kälteleis-tung ist der Massenstrom nur geringfügigunterschiedlich. Die kritische Temperaturliegt bei 107°C, damit wäre ein wirtschaft-licher Betrieb bis ca. 90°C Verflüssigungs-temperatur möglich. R1234ze(E) ist jedoch – wie R1234yf –schwach brennbar und deshalb in der neuenSicherheitsgruppe A2L eingestuft. 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.

Für Hochtemperatur-Wärmepumpen in derProzesstechnik und Sonderanwendungenim Hochtemperaturbereich wurde von Che-mours ein auf HFO basierendes Kältemittelmit der Bezeichnung OpteonTM MZ(R1336mzz(Z)) vorgestellt.

Die kritische Temperatur liegt bei 171°C,die Siedetemperatur bei 33,1°C. Dies erlaubtden Betrieb bei Verflüssigungstemperaturenweit oberhalb 100°C, wobei dafür nur spe-ziell ausgeführte Verdichter und System-komponenten zum Einsatz kommen können.

R1336mzz(Z) hat einen GWP < 10, ist abernach den durchgeführten Tests dennochnicht brennbar. Demnach erfolgt eine Ein-stufung in Sicherheitsgruppe A1.

Eine tiefer gehende Bewertung ist nochnicht möglich, u.a. mit Blick auf die chemi-sche Stabilität des Kältemittels und derSchmierstoffe bei den sehr hohen Tempera-turen und den üblicherweise sehr langenBetriebszyklen solcher Anlagen.

Zu den Sonderanwendungen gehören eben-falls Systeme zur Kraft-Wärmekopplung –sog.

"Organic Rankine Cycle" (ORC), die

eine zunehmende Bedeutung einnehmen.Neben R1336mzz(Z) als potenziell geeigne-tem Betriebsmittel kommen je nach Tempe-raturniveau der Wärmequelle und Wärme-senke eine Reihe weiterer Substanzen inFrage.


Abb. 33 R13B1/HFKW-Alternativen – Vergleich der Druckgastemperaturen eines 2-stufigen Verdichters

Δ

Dazu gehört R245fa (GWP = 1050) miteiner kritischen Temperatur von 154°C, daswie R1336mzz(Z) auch als Kältemittel fürgroße Flüssigkeitskühlsätze mit Turbover-dichtern geeignet ist.Darüber hinaus bietet Solvay für ORC-An-wendungen geeignete Kältemittel mit derBasiskomponente R365mfc an. Ein bereitsvor einigen Jahren vorgestelltes Produkt mitdem Handelsnamen Solkatherm SES36enthält Perfluorpolyether als Gemischkom-ponente. Es handelt sich um ein Azeotropmit einer kritischen Temperatur von 178°C.Mittlerweile wurden zwei zeotrope Gemi-sche mit R365mfc und R227ea entwickelt,deren kritische Temperatur durch unter-schiedliche Mischungsverhältnisse bei 177°Cund 182°C liegt. Sie werden unter den Handelsnamen Solkatherm SES24 undSES30 angeboten. Bei ORC-Anlagen kann das zeotrope Ver-halten vorteilhaft sein. Im Falle einphasigerWärmequellen und Wärmesenken lässt sichdurch die gleitende Verdampfung und Ver-flüssigung die Temperaturdifferenz am sog.

"Pitchpoint" anheben. Dies führt dann zueinem verbesserten Wärmetransport durchdie höhere treibende mittlere Temperaturdif-ferenz.

Als Expander für ORC-Systeme lassensich Schrauben- und Scrollverdichterkonstruktiv entsprechend anpassen.

BITZER ist seit mehreren Jahren in ver-schiedene Projekte eingebunden undkonnte bereits wichtige Erkenntnisse mitdieser Technologie gewinnen und Erfah-rung bei Konstruktion und Anwendungsammeln.

Eine umfassende Abhandlung über ORC-Systeme würde den Rahmen dieses Käl-temittel Report überschreiten. WeitereInformationen sind auf Anfrage erhältlich.

Alternativen für R13B1

Neben R410A gilt auch ISCEON MO89(DuPont) als potenzielles R13B1-Substitut.Mit R410A ist eine im Vergleich zu R13B1wesentlich höhere Druckgastemperatur zuberücksichtigen, die den Anwendungsbe-reich selbst bei 2-stufiger Verdichtung stär-ker eingeschränkt.

ISCEON MO89 wurde über viele Jahrebevorzugt in Gefriertrocknungsanlagen ein-gesetzt. Unterdessen wurde die Produktioneingestellt. Aus Gründen der Entwicklungs-geschichte wird das Kältemittel jedoch imvorliegenden Report weiterhin berücksich-tigt. Es handelt es sich um ein Gemisch ausR125 und R218 mit einem geringen Anteilvon R290. Bedingt durch die Eigenschaftender beiden Hauptkomponenten sind Dichtesowie Massenstrom relativ hoch und die

Druckgastemperatur sehr niedrig. Als beson-ders vorteilhaft erweist sich Flüssigkeits-unterkühlung.

Beide Kandidaten haben relativ hohe Druck-lagen, weshalb die zulässige Verflüssigungs-temperatur der üblicherweise eingesetzten2-stufigen Verdichter auf 40..45°C begrenztist. Außerdem zeigen sich bei Verdamp-fungstemperaturen unterhalb -60°C größereMinderleistungen gegenüber 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, R508A/B oder R170(Ethan) in der Tieftemperaturstufe.

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

Nach EU F-Gase Verordnung (Anhang III)gilt eine Ausnahmeregelung „für Anwendun-gen, die zur Kühlung von Produkten aufunter -50°C bestimmt sind“.

Dies bedeutet, dass auch nach 2020 Kälte-mittel mit GWP > 2500 in Neuanlagen ein-gesetzt werden können. Durch den „Phase-Down“ wird es jedoch zu Mengenbegren-zungen mit der Folge eines eklatantenPreisanstiegs und stark eingeschränkterVerfügbarkeit kommen.

Es ist deshalb dringend geboten, Alternativ-lösungen zu entwickeln, für die es jedochkeine pauschale Empfehlung geben kann.Zweistufige Verdichter können z.B. mitR448A/449A (Sicherheitsgruppe A1) oderR1270 (A3) bis zu einer Verdampfungstem-peratur von -60..-65°C betrieben werden.Der Einsatz von R404A/R507A Alternativenmit GWP < ca. 250 (Sicherheitsgruppe A2L)ist zwar potenziell möglich, allerdings liegenbisher selbst bei klassischer Tiefkühlanwen-dung nur wenige Erfahrungen vor.

Bei Verdampfungstemperaturen bis ca. -50..-52°C ist auch der Betrieb mit CO2möglich − entweder in einem zweistufigenSystem oder einer Kaskadenanlage.

Jede Systemvariante erfordert jedoch gene-rell eine spezifische Auslegung und ent-sprechende Labortests.


38


39

Alternativen für R13 und R503

Bei diesen Stoffen ist die Situation aus reintechnischer Sicht noch relativ günstig, siekönnen durch R23 und R508A/R508Bersetzt werden. Ebenfalls geeignet wäreR170 (Ethan), falls die Sicherheitsvorschrif-ten eine brennbare Substanz (Sicherheits-gruppe A3) erlauben.

Wegen des teilweise steileren Druckverlaufsder Alternativ-Kältemittel und einer höherenDruckgastemperatur von R23 gegenüberR13 sind Leistungsunterschiede und Ein-schränkungen im Anwendungsbereich derVerdichter zu berücksichtigen. Zudem wirdeine individuelle Anpassung der Wärme-übertrager und Regelkomponenten erfor-derlich.

Als Schmierstoffe für R23 und R508A/Beignen sich Polyol-Ester, die jedoch auf diebesonderen Anforderungen im Tieftempe-raturbereich abgestimmt sein müssen.

R170 hat auch mit konventionellen Schmier-stoffen eine gute Löslichkeit. Allerdingssind auch hier entsprechende Anpassun-gen an die Temperaturbedingungen nötig.

Anwendungen mit diesen Kältemitteln die-nen ausschließlich zur Kühlung von Pro-dukten unter -50°C. Insofern gilt die im vor-herigen Kapitel bereits beschriebene Aus-nahmeregelung in der EU F-Gase Verord-nung im Besonderen.

Bei R23 und R508A/B sind die Auswirkun-gen des „Phase-Down“ jedoch besondersgravierend. Die GWP Werte liegen imBereich von 13200 bis 14800 (AR4). Auchrelativ geringe Mengen gehen deshalbäußerst stark zu Lasten der verfügbarenQuoten.

Abgesehen von R170 (Ethan) mit den fürA3 Kältemittel erforderlichen besonderenSicherheitsvorkehrungen, gibt es für R23und R508A/B keine direkt vergleichbarenAlternativen aus der Gruppe der HFOsoder HFO/HFKW-Gemische (Sicherheits-

gruppen A1 oder A2L). Vielfach ist aber inden betreffenden Sonderanwendungen derEinsatz von A3 Kältemitteln nicht möglichoder wäre mit einem nicht zu vertretendenAufwand und hohen Kosten verbunden.

Unter diesen Herausforderungen wurdenunterdessen Forschungsprojekte initiiert,bei denen die Anwendung von N2O (Lach-gas) bzw. Gemische aus N2O und CO2näher untersucht werden.

Umfassende Untersuchungen und Tests ander Hochschule Karlsruhe und am Institutfür Luft- und Kältetechnik (ILK) in Dresdenzeigen aufschlussreiche Ergebnisse.

N2O (R744A) hat ähnliche thermodynami-sche Eigenschaften und Drucklagen wieCO2, identisches Molekulargewicht, einensehr niedrigeren Tripelpunkt (-90,8°C) undeine kritische Temperatur von 36,4°C. DerGWP liegt bei 298, also einem Bruchteilder Werte von R23 und R508A/B.Zusammengefasst also eine ideale Alterna-tive für Sonderanwendungen bis zu etwa -80°C Verdampfungstemperatur?

Auf den ersten Blick sind dies sehr positiveEigenschaften. Leider gibt es aber auchnegative Aspekte, die den Einsatz von N2Oals Reinstoff quasi ausschließen.

Reines N2O als Kältemittel stellt ein Sicher-heitsrisiko dar. Es wirkt narkotisierend undbrandfördernd. N2O kann andere Stoffeoxidieren. Außerdem kann es bei den pas-senden Bedingungen (Druck, Temperaturbzw. Zündquelle) zu exothermen Zerset-zungsreaktionen kommen, die den dauer-haft sicheren Betrieb von Kälteanlagen mitreinem N2O grundsätzlich in Frage stellen.

Durch Zumischung von CO2 in höherenProzentsätzen (über ca. 15%) wird zwarder Tripelpunkt etwas zu höheren Tempe-raturen hin verschoben, gleichzeitig jedochein positiver Einfluss („Phlegmatisierung“)auf Oxidation und chemische Zersetzungerreicht. Das Sicherheitsrisiko wird dadurchwesentlich reduziert und die Voraussetzun-gen für die Materialverträglichkeit deutlichverbessert. Dennoch gibt es besondere

Herausforderungen u.a. bei Schmierstoffen,die eine hohe Oxidationsbeständigkeit auf-weisen und außerdem für die besonderenAnforderungen bei Tieftemperaturbedin-gungen geeignet sein müssen.

Die Untersuchungen werden weitergeführt.Eine abschließende Bewertung ist nochnicht möglich, weshalb derzeit auch keineLeitlinien für die Auslegung und Ausfüh-rung solcher Systeme erstellt werden kön-nen.

BITZER hat mit einer Reihe der zuvorbehandelten Substitute entsprechendeUntersuchungen durchgeführt und Er-fahrungen gesammelt – Leistungsda-ten und Ausführungshinweise sind aufAnfrage erhältlich.Wegen der in diesen Sonderbereichensehr individuellen Anlagentechnik, istjedoch jeweils eine direkte Abstim-mung mit BITZER erforderlich.

Schmierstoffe für Verdichter

Verdrängerverdichter, wie sie überwiegendin gewerblichen und industriellen Kälte-,Klima- und Wärmepumpensystemen zumEinsatz kommen, sind in der Regel ölge-schmiert. Trotz entsprechender konstrukti-ver Maßnahmen und/oder Einbau einesÖlabscheiders wird zusammen mit demDruckgasstrom eine geringe Menge Öl inden Kreislauf gefördert. Zur Stabilisierungdes Ölhaushalts sind deshalb geeigneteMaßnahmen zur kontinuierlichen Ölrückfüh-rung zu treffen. Vorteilhaft sind dabei Öle,die eine Löslichkeit sowie Mischbarkeit mitdem Kältemittel aufweisen. Durch das imÖl gelöste Kältemittel wird die Viskositätsignifikant reduziert, damit die Fließfähig-keit des Öls verbessert und der negativeEinfluss auf den Wärmeübergang in Wär-meübertragern minimiert.

In der Vergangenheit wurden bevorzugtsog. naphtenbasische Mineralöle und syn-thetische Alkylbenzole eingesetzt. Sie bie-ten bei Systemen mit FCKW- und HFCKW-Kältemitteln (z.B. R22) sowie Kohlen-wasserstoffen hinsichtlich Löslichkeit undMischbarkeit recht günstige Voraussetzun-gen. Hingegen sind sie auf Grund ihrer nie-drigen Polarität nur ungenügend mit denhochpolaren HFKW- und HFO-Kältemittelnmischbar/löslich und werden deshalb imKältekreislauf nur unzureichend transpor-tiert.

Nicht mischbare Öle können sich in denWärmeübertragern ablagern und den Wär-meübergang so stark behindern, dass einBetrieb der Anlage nicht mehr möglich ist.

Deshalb wurden für Systeme mit HFKW-und HFO-Kältemitteln neue Schmierstoffemit entsprechender Löslichkeit/Mischbarkeitentwickelt. Es handelt sich um Öle auf derBasis von Polyol-Ester (POE) und Poly-Alkylen-Glykol (PAG).

Sie besitzen ähnliche oder bessere Schmier-eigenschaften als die bisher üblichen Öle,sind aber in Abhängigkeit von der Kältemit-tellöslichkeit mehr oder weniger hygrosko-pisch. Dies bedingt besondere Sorgfalt beiHerstellung (u.a.Trocknung), Transport,Lagerung und beim Befüllen, damit chemi-sche Reaktionen in der Anlage – wie z.B.Hydrolyse bei POE – vermieden werden.

Schmierstoffe

40

Öle auf PAG-Basis sind hinsichtlich Was-seraufnahme besonders kritisch. Außerdemhaben sie eine relativ niedrige elektrischeDurchschlagsfestigkeit und sind schon des-halb weniger für halbhermetische und her-metische Verdichter geeignet. Sie werdenin erster Linie bei PKW-Klimaanlagen mitoffenen Verdichtern eingesetzt, wo beson-dere Anforderungen an die Schmierungund beste Löslichkeit/Mischbarkeit wegeneiner hohen Ölzirkulationsrate gefordertsind. Um Kupferplattierung zu vermeiden,werden in diesen Systemen keine Buntme-talle verwendet.

Die übrige Kälteindustrie bevorzugt bisherPOE-Öle, mit denen schon umfangreicheErfahrungen vorliegen. Die Ergebnisse sindpositiv, wenn der Wasseranteil im Öl etwa100 ppm nicht wesentlich übersteigt. Esdürfen jedoch nur vom Verdichterherstellerspezifizierte Öle verwendet werden. Wegender erhöhten Reaktivität von HFOs mit Öl,gilt dies im Besonderen für Systeme mitdiesen Kältemitteln.

Verdichter für fabrikmäßig gefertigte Klima-geräte und Kühlsätze werden auch ver-mehrt mit Polyvinyl-Ether-Ölen (PVE)befüllt. Sie sind zwar hygroskopischer alsPOE, jedoch sehr hydrolysebeständig, ther-misch und chemisch stabil, besitzen guteSchmiereigenschaften und hohe elektrischeDurchschlagsfestigkeit. Im Gegensatz zuPOE neigen sie weniger zur Bildung vonMetallseifen und bieten damit mehr Sicher-heit gegen Verstopfung von Kapillaren.

Besondere Anforderungen an die Schmier-stoffe gibt es bei CO2-Systemen. Speziellformulierte POE eignen sich auf Grund derbesonders guten Löslichkeit/Mischbarkeitauch für den Einsatz in weitverzweigtenRohrnetzen. Diese Eigenschaften wirkensich aber nachteilig auf Viskosität undSchmierfähigkeit (Tribologie) aus und erfor-dern deshalb Verdichter mit einem äußerstrobusten und verschleißfesten Triebwerk.Bei sehr hoher Beanspruchung, z.B. Wär-mepumpen, gewährleisten eigens für CO2-Anwendungen entwickelte PAG-Öle nochgünstigere Schmierbedingungen.Auf Grund der thermodynamischen Eigen-schaften von Ammoniak (NH3) und der dar-aus resultierenden Anlagentechnik, sindnichtlösliche/nicht mischbare Öle vorteil-haft. Dazu gehören u.a. Mineralöle und

Polyalphaolefine (PAO). Sie erfordernjedoch eine spezielle Technik zur Ölab-scheidung und Ölrückführung. WeitereErläuterungen hierzu sowie Besonderheitenbeim Einsatz teillöslicher PAG-Öle sieheAbschnitt NH3 (Ammoniak) als Alternativ-Kältemittel (Seite 28) und ergänzendeInformationsschriften (siehe unten).

Weitere Informationen siehe Abb. 37„Übersicht Schmierstoffe“, Seite 44 sowieErläuterungen zu den einzelnen Kältemit-teln.

Ergänzende BITZER Informationen zuSchmierstoffen(auch unter http://www.bitzer.de)

o Technische Information KT-500 „Kältemaschinenöle für Hubkolben-verdichter mit (H)FCKW Kältemittelnoder NH3“

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

o Technische Information KT-640 „Einsatz von Ammoniak (NH3) alsAlternativ-Kältemittel“ – Abschnitt:„Schmierstoffe und deren Einflussauf die Systemausführung“

o Technische Information KT-660 „Einsatz von Propan (R290) und Pro-pen (R1270) mit halbhermetischenVerdichtern” – Abschnitt: „Schmier-stoffe“

o Betriebsanleitungen KB-120 und KB-130 „Halbhermetische Hubkolbenverdich-ter für CO2-Anwendungen“

o Projektierungshandbücher fürSchraubenverdichter SH-100 bis SH-500 – jeweils Abschnitt „Schmier-stoffe“

41

Kältemitteldaten

R22R124R142b

R134aR152aR125R143aR32

R227eaR236fa

R23

R404AR507A R407AR407FR407HR422A

R437A

R407CR417AR417BR422DR427AR438A

R410A

R508AR508B

R1234yfR1234ze(E)R513A (XP10)R450A (N-13)

R448A (N-40)R449A (XP40)

R717R723R600aR290R1270

R170

R744

AR4: gemäß IPCC IV – Zeithorizont 100 Jahre – auch Basis für EU F-Gase Verordnung 517/2014

AR5: gemäß IPCC V – Zeithorizont 100 Jahre

N/A Daten derzeit nicht veröffentlicht.

Alternativkältemittel hat größere Abweichungen in Kälteleistung und Drucklagen

Alternativkältemittel hat größere Abweichungen unterhalb -60°C Verdampfungstemperatur

Ebenfalls verwendet als Komponente in R290/600a-Blends (direkte R12-Alternative)

Einteilung nach EN 378-1 bzw. ASHRAE 34

gemäß EN 378:2017

0,0550,0220,065

0

0

0

0

1810 (1760)609 (527)

2310 (1980)

1430 (1300)124 (138)

3500 (3170)4470 (4800)

675 (677)

3220 (3350)9810 (8060)

14800 (12400)

3922 (3940)3985 (3990)2107 (1920)1825 (1670)1490 (1380)3143 (2850)

1805 (1640)

1774 (1620)2346 (2130)2920 (2740)2729 (2470)2138 (2020)2264 (2060)

2088 (1920)

13210 (11600)13400 (11700)

4 (< 1)7 (< 1)

631 (573)605 (547)

1387 (1270)1397 (1280)

01332

6

1

Zusammen-setzung(Formel)

Ersatz/Alternative

für

ODP

[R11=1,0]

GWP(100a)

[CO2=1,0]

AR4 (AR5)

PraktischerGrenzwert

[kg/m3]

Sicherheits-gruppe

Anwen dungs -bereich

5

HFKW-Gemische

Halogenfreie Kältemittel

HFOs und HFO/HFKW-Gemische – weitere Gemische sowie Daten siehe Seiten 24 bis 27

0,30,11

0,049

0,250,0270,39

0,0480,061

0,630,59

0,68

0,520,530,330,320,380,29

0,081

0,310,15

0,0690,260,29

0,079

0,44

0,230,25

0,0580,0610,35

0,319

0,3880,357

0,00035N/A

0,0110,0080,008

0,008

0,07

A1A1A2

A1A2A1

A2LA2L

A1A1

A1

A1A1A1A1A1A1

A1

A1A1A1A1A1A1

A1

A1A1

A2LA2LA1A1

A1A1

B2LB2A3A3A3

A3

A1

09.18

CHClF2CHClFCF3CCIF2CH3

CF3CH2FCHF2CH3CF3CHF2CF3CH3CH2F2

CF3-CHF-CF3CF3-CH2-CF3

CHF3

R143a/125/134aR143a/125R32/125/134aR32/125/134aR32/125/134AR125/134a/600a

R125/134a/600/601

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

R32/125

R23/116R23/116

CF3CF=CH2CF3CH=CHFR1234yf/134aR1234ze(E)/134a

R32/125/1234yf/1234ze(E)/134aR32/125/1234yf/134a

NH3NH3/R-E170C4H10C3H8C3H6

C2H6

CO2

R502 (R12 )

R114 , R12B1

R12 (R500)

R13 (R503)

R503

R134a

R404A, R507A

R22 (R13B1 )

R22

R22 (R502)

R404A (R22)R404A (R22)R134aR404A (R22)R404A (R22)

R23

Diverse

R12B1, R114R114

R12 (R22 )hauptsächlichals Gemisch-KomponentenR410A (R22)

sieheSeite 43

sieheSeite 43

sieheSeite 43

sieheSeite 44

Kältemittel

HFCKW-Kältemittel

3

3

4

5

6

5 6

45

1

1

1

1

1

1

2

2

Die Angaben in Tab. 6 und 7 gelten unter Vorbehalt; sie basieren auf Veröffentlichungen verschiedener Kältemittelhersteller.

Tab. 6 Kältemitteldaten (Fortsetzung siehe Tab. 7)

1

HFKW Einstoff-Kältemittel

-41-11-10

-26-24-48-48-52

-16-1

-82

-47-47-46-46-45-49

-33

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

-51

-86-88

-30-19-29-24

-46-46

-33-37-12-42-48

-89

-57

Gültig für einstufige Verdichter

Daten auf Anfrage unter Angabe der Betriebsbedingungen

Tripelpunkt bei 5,27 bar

Genannte Leistungsdaten sind Durchschnittswerteaus 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 Tab. 6 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

R134aR152aR125R143aR32

R227eaR236fa

R23

R404AR507A R407AR407FR407HR422A

R437A

R407CR417AR417BR422DR427AR438A

R410A

R508AR508B

R1234yfR1234ze(E)R513A (XP10)R450A (N-13)

R448A (N-40)R449A (XP40)

R717R723R600aR290R1270

R170

R744

09.18

Tab. 7 Kältemitteldaten

Kältemittel

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

00000

00

0

0,70

6,66,47,02,5

3,6

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

<0,2

00

000

0,6

6,24,5

00000

0

0

96122137

101113667378

102>120

26

737183838672

95

878775818780

72

1314

9511097

105

8382

1331311359792

32

31

63105110

8085515642

96117

1

555456575556

75

586858626463

43

-3-3

82927886

5858

6058

1147061

3

-11

80 (L)

97 (M)N/AN/AN/A

105 (M)107 (M)

98 (M)104 (M)

99 (M)100 (M)

108 (M)

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

140 (H)

98 (M)

102 (M)88 (M)

96 (M)96 (M)

100 (M)105 (M)N/A 89 (M)

112 (M)

+35

-8N/AN/AN/A

-34-34-19-11-8

-39

-7

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

-4

-14

-7-6

+12+12

+60+35N/A-25-20

sieheSeite 44

55

55

55

55

55

55

55

55

4 4

HFKW-Gemische


HFOs und HFO/HFKW-Gemische – weitere Gemische sowie Daten siehe Seiten 24 bis 27

HFCKW-Kältemittel

HFKW Einstoff-Kältemittel

Kältemitteldaten

42

43

Anwendungsbereiche

R1234yf l l

l

l l

l

l

ll

Abb. 35 Anwendungsbereiche von „Low GWP“ Kältemitteln (HFO, HFO/HFKW-Gemische, R32)

l

l

l l

l

l l l

l l l

HFKW-Kältemittel

Abb. 34 Anwendungsbereiche von HFKW-Kältemitteln (ODP = O)

„Low GWP“ Kältemittel (HFO, HFO/HFKW-Gemische, R32)

l


Abb. 36 Anwendungsbereiche halogenfreier Kältemittel

Anwendungsbereiche

44

●

Übersicht Schmierstoffe

Abb. 37 Schmierstoffe für Verdichter

45

Notes

46

Notes

47

Notes

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