Kältemittel- REpoRT 19 · Allgemeine Aspekte zur Kältemittel-Entwicklung Einführung...

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A-500-19 KäLTEMITTEL- REPORT 19

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A-500-19

Kältemittel-REpoRT 19

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Kältemittel-Report

Inhalt

Wesentliche Änderung/Ergänzung gegenüber 18. Auflage

Seite

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Mit dieser Ausgabe verlieren alle vorherigen ihre Gültigkeit.

Allgemeine Aspekte zur Kältemittel-EntwicklungEinführung

Alternativ-Kältemittel (Übersicht)

Umwelt-AspekteTreibhauseffekt und TEWI-KennwertÖko-Effizienz

HFCKW-KältemittelR22 als Übergangskältemittel

HFKW- und HFO-KältemittelR134a als Ersatzstoff für R12 und R22 � Schmierstoffe für HFKWAlternativen zu R134aR152a – eine Alternative zu R134a (?)„Low GWP” HFO-Kältemittel R1234yf und R1234ze(E)

Kältemittelgemische (Blends)Service-Gemische als Ersatzstoffe für R502Service-Gemische als Ersatzstoffe für R12 (R500)

HFKW-Alternativen für R502 und R22R404A und R507A als Ersatzstoffe für R502 und R22R407A, R407B, R407F und R407H als Ersatzstoffe für R502 und R22R422A als Ersatzstoff für R502 und R22

HFKW-Alternativen für R22R407C als Ersatzstoff für R22R410A als Ersatzstoff für R22R417A, R417B, R422D und R438A als Ersatzstoffe für R22R427A als Ersatzstoff für R22R32 als Ersatzstoff für R22

HFO/HFKW-Gemische als Alternativen zu HFKWs

Halogenfreie KältemittelNH3 (Ammoniak) als Alternativ-KältemittelR723 (NH3/DME) als Alternative zu NH3

R290 (Propan) als Alternativ-KältemittelPropylen (R1270) als Alternative zu PropanCO2 als Alternativ-Kältemittel und Sekundär-Fluid

Sonderanwendungen

Kältemitteldaten

Anwendungsbereiche � Schmierstoffe

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Allgemeine Aspekte zur Kältemittel-Entwicklung

Einführung

Stratosphärischer Ozonabbau sowie atmos-phärischer Treibhauseffekt durch Kältemittel-Emissionen führten seit Anfang der 90er-Jahrezu einschneidenden Veränderungen in derKälte- und Klimatechnik.

Dies gilt besonders für den Bereich der ge-werblichen Kälte- und Klimaanlagen mit ihremweit reichenden Anwendungsspektrum. Fürsolche Systeme wurden früher vorrangig diezum Ozonabbau beitragenden KältemittelR12, R22 und R502 eingesetzt – für Sonder-anwendungen auch R114, R12B1, R13B1,R13 und R503.

Mit Ausnahme von R22 ist die Verwendungdieser Stoffe in Industrieländern nicht mehrerlaubt. Allerdings gilt in der EuropäischenUnion auch für R22 ein vorgezogener Aus-stieg, der in mehreren Stufen umgesetztwurde (siehe Seite 8). Der wesentliche Grundfür dieses gegenüber internationalen Vereinba-rungen sehr frühe Verbot von R22 ist das,wenn auch nur geringe, Ozonabbaupotenzial.Seit 2010 sind auch in weiteren Ländern Ver-botsverordnungen in Kraft, z. B. in USA.

Daraus ergeben sich erhebliche Auswirkungenauf die gesamte Kälte- und Klimabranche.BITZER ist deshalb die Selbstverpflichtungeingegangen, 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-und Wärmepumpensystemen durchgesetzthaben, stehen inzwischen neue Herausforde-rungen an. Diese betreffen in erster Linie dieTreibhausproblematik. Ziel ist dabei eine deut-liche Reduzierung von direkten Emissionendurch Kältemittelverluste und von indirektenEmissionen durch besonders effiziente Anla-gentechnik.

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 bereit ratifizierter oderin Vorbereitung befindlicher Verordnungen imRahmen der EU Ökodesign Richtlinie (BITZERInformationsschrift A-530). Ähnliche Vorgabensind auch in Nordamerika (SNAP Program)und anderen Regionen in Vorbereitung oderschon umgesetzt.

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

Kältemitteln mit hohem Treibhauspotenzial(GWP) kommen. Dies betrifft in erster LinieR404A und R507A, für die bereits Alternativenmit geringerem GWP angeboten werden. Umdie gesetzten Ziele zu erreichen, ist jedoch dieEntwicklung von Substituten für weitere Kälte-mittel sowie ein vermehrter Einsatz natürlichvorkommender Stoffe (NH3, CO2, Kohlenwas-serstoffe) erforderlich.

Hierfür ist es notwendig, diese Kältemittelsowie geeignete Öle und entsprechend ange-passte Systeme umfassend zu erproben.Dazu besteht eine enge Zusammenarbeit mitwissenschaftlichen Instituten, der Kältemittel-und Ölindustrie, weiteren Komponentenher-stellern, Fachverbänden sowie innovativenKälte- und Klimafachbetrieben.

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 Erfah-rungen und die sich ergebenden Konsequen-zen in der 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 Auswahl desAlternativ-Kältemittels und der Systemausfüh-rung eine besondere Bedeutung zu. Nebender Forderung nach Substanzen ohne Ozon-abbaupotenzial (ODP = 0) wird insbesondereder Energiebedarf eines Systems durch seinenindirekten Beitrag zum Treibhauseffekt alswesentliches Kriterium angesehen. Hinzukommt das direkte Treibhauspotenzial (GWP)durch Kältemittel-Emission.

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

Dazu dient der sog. "TEWI-Kennwert" (TotalEquivalent Warming Impact). Inzwischen

wurde noch eine weitergehende Bewertungs-methode unter dem Gesichtspunkt der "Öko-Effizienz" entwickelt. Hierbei werden sowohlökologische (u.a. TEWI) als auch ökonomischeKriterien berücksichtigt (weitere Ausführungensiehe Seite 7).

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

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 auf längereSicht erlauben wird. Ebenso die Hydro-Fluor-Olefine (HFO) R1234yf und R1234ze(E) miteinem GWP < 10, die jedoch bisher nurbegrenzt verfügbar sind.

Direkte Alternativen (auf Basis fluorierter Koh-lenwasserstoffe) für nahezu alle Kältemittel mithöherer volumetrischer Kälteleistung undDrucklage als R134a können hingegen nur alsGemische (Blends) "formuliert" werden. UnterBerücksichtigung der thermodynamischenEigenschaften, Brennbarkeit, Toxizität und Treib-hauspotenzial ist die Liste potenziell geeigne-ter Kandidaten jedoch stark eingeschränkt.Für Gemische mit reduziertem GWP gehörendazu neben R134a, R1234yf und R1234ze(E)in erster Linie noch die Kältemittel R32, R125und R152a.

Neben halogenierten Kältemitteln kommenebenfalls Ammoniak (NH3) und Kohlenwasser-stoffe als Substitute in Betracht. Bei gewerb-lichen Anwendungen ist deren Verwendungjedoch durch strenge Sicherheitsauflagen ein-geschränkt.

Kohlendioxid (CO2) gewinnt ebenso an Be-deutung als Alternativ-Kältemittel und Sekun-därfluid. Auf Grund der spezifischen Eigen-schaften sind aber auch hiermit einer allge-meinen Anwendung Grenzen gesetzt.

Die umseitigen Abbildungen zeigen eine struk-turelle Übersicht der Alternativ-Kältemittelsowie eine Aufstellung der momentan angebo-tenen Reinstoffe oder Gemische. Im Anschlussdaran werden die einzelnen Themenbereichebehandelt.

Kältemitteldaten, Anwendungsbereiche undAngaben zu Schmierstoffen sind auf den Sei-ten 38 bis 41 zusammengefasst.

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

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Alternativ-Kältemittel

Einstoff Kältemittel

z.B. R134aR125R32R143aR152a

HFKW– chlorfrei –

„Low GWP“Kältemittel

Gemische(Blends)

z.B. R404AR507AR407-SerieR410AR417A/BR422A/DR427A

Einstoff-Kältemittel

R1234yfR1234ze(E)

Gemische(Blends)

R1234yf/R1234ze(E)/HFKW

Einstoff- Kältemittel

z.B. NH3R290R1270R600aR170R744

Gemische(Blends)

z.B. R600a/R290

R290/R170

R723

halogenfrei

Einstoff Kältemittel

z.B. R22R123R124R142b

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 DetaillierteKlassifizierung Bezeichnung (bei Gemischen) Informationen

R134aR152a

– Seiten

R437A ISCEON MO49 Plus Chemours R125/134a/600/601 9...11, 16, 38...41

R404A verschiedene R143a/125/134aR502/R22 R507A verschiedene R143a/125 Seiten

R422A ISCEON MO79 Chemours R125/134a/600a 17...19, 38...41

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

R417B – Daikin Chemical R125/134a/600 18...23, 38...41

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

R114 R236fa – – SeitenR12B1 R227ea – – 36, 38...41

R410A verschiedene R32/125 SeitenR13B1 – ISCEON MO89 Chemours R125/218/290 37, 38...41

R13 R23 – – SeitenR503 R508A KLEA 508A Mexichem R23/116 37, 38...41R508B Suva 95 Chemours R23/116

HFKW-Kältemittel 09.16

Abb. 2 Substitute für FCKW- und HFCKW-Kältemittel (chorfreie HFKW)

1

R22

R12(R500) 4

Alternativ-Kältemittel – Übersicht

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Aktuelle AlternativenKältemittel

ASHRAE Hersteller- Zusammensetzung DetaillierteKennzeichnung Bezeichnung (bei Gemischen) Informationen

R1234yf verschiedene –R1234ze(E) verschiedene –R450A Solstice® N-13 Honeywell R1234ze(E)/134aR513A Opteon® XP10 Chemours R1234yf/134a Seiten 24…26,

R513B − Daikin Chemical R1234yf/134a 38…41

− ARM-42*** Arkema R1234yf/152a/134aR456A AC5X** Mexichem R32/1234ze(E)/134a

R448A Solstice® N-40 Honeywell R32/125/1234yf/1234ze(E)/134aR449A Opteon® XP40 Chemours R32/125/1234yf/134a Seiten 24…26,R449B*** − Arkema R32/125/1234yf/134a 38…41R460B LTR4X** Mexichem R32/1234ze(E)/134a

− Solstice® N-20 Honeywell R32/125/1234ze(E)/134a Seiten 24…26,R444B Solstice® L-20 Honeywell R32/152a/1234ze(E) 38…41

R32 verschiedene –R447B Solstice® L-41z Honeywell R32/125/1234ze(E)R452B Opteon® XL55 Chemours R32/125/1234yf Seiten 24…26,

R454B Opteon® XL41 Chemours R32/1234yf 38…41

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

Erläuterungen zu Abb. 2 bis 4 Brennbar Größere Differenzen in Kälteleistung und Service-Kältemittel Unternehmen ist ausToxisch Drucklage zu bisherigem Kältemittel mit ODP = 0 DuPont hervorgegangen

5

HFO und HFO/HFKW-Gemische 09.16

Aktuelle AlternativenKältemittel

ASHRAE Hersteller- Formel DetaillierteKlassifizierung Bezeichnung Informationen

R290/600a – C3H8/C4H10 SeitenR600a – C4H10 29, 38...41

R717 – NH3

R723 – NH3 + R-E170 SeitenR290 – C3H8 27...31, 38...41R1270 – C3H6

R600a – C4H10Seiten36, 38...41

keine direkte Alternative verfügbar

R23 R170 – C2H6Seiten37, 38...41

Diverse R744 – CO2Seiten32...35, 38...41

Halogenfreie Kältemittel 09.16

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

3

3

3

4 51

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

2

2

1 2

R404A/R507A*(R22/R407C*)

R22/R407C

R410A

R134a

Abb. 3"Low GWP" Kältemittel und Gemische

* Wegen der großen Variantenvielfalt von HFO/HFKW-Gemischen und den potenziellen Änderungen bei Entwicklungsprodukten umfasst obige Liste bei R404A/R507A Alternativen nur nicht brennbare Gemische mit GWP < 1500. Auf Seiten 24 bis 26 wird umfassend über HFO/HFKW-Gemische berichtet. Weitere Alternativen werden ebenfalls behandelt.

** Entwicklungsprodukt *** Verfügbar 2017 .. 2020

R134a

R124

R404AR507AR22

R410AM089

1

1

1

Alternativ-Kältemittel – Übersicht

5

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Abb. 6 Vergleich von TEWI-Kennwerten (Beispiel)

TEW

I x 1

03

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

durch Rück-gewinnungs-

300

200

100

RL

RL

RL

RL

ENERGIE

ENERGIE

ENERGIE

ENERGIE

Vergleich bei10% höheremEnergiebedarf

LL

RL = Auswirkung

Verluste

durch Leckage-LL = Auswirkung

VerlusteLL LL

LL

+10%

+10%

Treibhauseffekt undTEWI-Kennwert

Wie eingangs bereits erläutert, wurde eineBerechnungsmethode entwickelt, mit derdie Auswirkungen auf den Treibhauseffektbeim Betrieb von Kälteanlagen individuellbeurteilt werden können (TEWI = TotalEquivalent 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(GWP100 = 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 = TOTAL EQUIVALENT WARMING IMPACT

TEWI = ( GWP x L x n ) + ( GWP x m [ 1- α recovery ] ) + ( n x Eannual x β )

Leckage Rückgewinnungsverluste

direkter Treibhauseffekt

Energiebedarf

indirekterTreibhauseffekt

GWP = TreibhauspotenzialL = Leckrate pro Jahrn = Betriebszeit der Anlagem = Anlagenfüllgewichtα recovery = Recycling-FaktorEannual = Energiebedarf pro Jahrβ = CO2-Emission pro kWh

[ CO2-Äquivalent nach IPCC IV ][ kg ][ Jahre ][ kg ]

[ kWh ](Energie-Mix)

BeispielNormalkühlung R134a

to -10 °Ctc +40 °Cm 10 kg // 25 kgL[10%] 1 kg // 2,5 kgQo 13,5 kW E 5 kW x 5000 h/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 Systemkompo-nenten.

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

Ergänzend dazu zeigt Abb. 6 anhand einesBeispiels (Normalkühlung mit R134a) dieVerhältnisse von TEWI-Kennwerten bei

Abb. 5 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.

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Umwelt-Aspekte

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Abb. 8 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) gem. ISO 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. 8). Dabei bilden die Ergebnisse derÖkobilanz-Auswertung die x-Werte imKoordinatensystem, während die Resultate

aus der Lebenzyklus-Kostenanalyse diezugehörigen y-Werte definieren. Diese Dar-stellung macht dann deutlich, dass einSystem eine umso höhere Öko-Effizienzaufweist, je weiter es im rechten oberenQuadranten liegt – und umgekehrt wenigereffizient im linken 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 ökologischenauch 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.

steigende Ö

ko-Effiz

ienz

fallende Ö

ko-Effiz

ienz

Ko

sten

vort

eil

U m w e l t v o r t e i l

Abb. 7 Öko-Effizienz-Konzept

Lebenszykluskosten

(Investitions-, Betriebs-

und Kapitalkosten)

Öko-Effizienz-Konzept

berücksichtigt

Ökonomie und Ökologie

im Lebenszyklus-Ansatz

Öko-Effizienz-Konzept

Ökobilanz nach

ISO 14040 ff.

* 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.

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Umwelt-Aspekte

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Abb. 9 R12/R22 – Vergleich der Druckgastemperatur eines halb her me tischen Verdichters

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

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. 9) 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.

Druc

kgas

tem

pera

tur

[˚C]

Verdampfung [˚C]

80

170

-40 0 10-30 -20 -10

90

160

150R12tc +60

R22tc +60tc +50

tc +50

tc +40

tc +40

100

110

120

130

140

Druc

k [b

ar]

Temperatur [˚C]

1

25

0 60

6

15

4

10

20

-40 -20

R12

R22

R502

2

4020

R22 als Übergangskältemittel

Obwohl sich chlorfreie Kältemittel, wie z.B.R134a und R404A/R507A (Abb. 1 und 2) ingrößerem Umfang durchgesetzt haben, wirdR22 international noch in vielen Bereichen –sowohl für Neuinstallationen als auch zurUmrüstung bestehender Anlagen – verwen-det.

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 auchgeringen) Ozonabbau-Potenzials bereits inverschiedenen Regionen Beschränkungen*,

8

HFCKW-Kältemittel

Page 9: Kältemittel- REpoRT 19 · Allgemeine Aspekte zur Kältemittel-Entwicklung Einführung Stratosphärischer Ozonabbau sowie atmos-phärischer Treibhauseffekt durch Kältemittel-

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

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

Verh

ältn

is R

134a

zu

R12

(=10

0%)

Verdampfung [°C]

80

110

0 10

90

100

COP

Q o

85

95

105

-30 -20 -10

t c 50°C

tc 50°C

tc 40°C

toh 20°C

t c 40°C

Verh

ältn

is R

134a

zu

R22

(=10

0%)

Verdampfung [°C]

50

110

10 20

70

COP

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. 11/2) 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 auf längere Sicht möglich.

Schmierstoffe für R134a und andereHFKWs

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).

Sie besitzen ähnliche Schmiereigenschaftenwie die bisher üblichen Öle, sind aber in Ab-hängigkeit von der Kältemittellöslichkeit mehroder weniger hygroskopisch. Dies bedingtbesondere Sorgfalt bei Herstellung (u.a. Trock-nung), Transport, Lagerung und beim Befüllen,damit chemische Reaktionen in der Anlage – wie Hydrolyse – vermieden werden.

Öle auf PAG-Basis sind hinsichtlich der Was-seraufnahme besonders kritisch. Außerdemhaben sie eine relativ niedrige elektrischeDurchschlagsfestigkeit und sind schon des-

9

HFKW- und HFO-Kältemittel

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

Druc

k [b

ar]

Temperatur [°C]

1

25

0 60

6

15

4

10

20

-40 -20

R12

R22

R134a

2

4020

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

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

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

� Sonderausgabe„Eine neue Generation optimierterKompakt-Schraubenverdichter fürR134a“

halb weniger für halbhermetische und hermeti-sche Verdichter geeignet. Sie werden deshalbin erster Linie bei PKW-Klimaanlagen mit offe-nen Verdichtern eingesetzt, wo besondereAnforderungen an die Schmierung und besteLöslichkeit wegen einer hohen Ölzirkulations-rate gefordert sind. Um Kupferplattierung zuvermeiden, werden in diesen Systemen auchkeine Buntmetalle verwendet.Die übrige Kälteindustrie bevorzugt bisherEsteröle, mit denen schon umfangreicheErfahrungen vorliegen. Die Ergebnisse sindpositiv, wenn der Wasseranteil im Öl etwa100 ppm nicht wesentlich übersteigt.

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.

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-Anlagen

Dieses Thema wurde anfangs sehr kontro-vers diskutiert, verschiedene Umrüstme-thoden wurden propagiert und angewandt.Heute besteht weitgehende Einigkeit übertechnisch und ebenfalls wirtschaftlich ver-tretbare Lösungen.Hierbei erweisen sich auch die 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 chemischeStabilität 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“ sieht einVerwendungsverbot von R134a in Neuanla-gen vor. Verschiedene Alternativ-Technolo-gien sind bereits in Entwicklung. Siehe hierzu Erläuterungen auf Seiten 11,12 und 35.

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HFKW und HFO-Kältemittel

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„Low GWP“ HFO-Kältemittel R1234yf und R1234ze(E)

Das Verwendungsverbot von R134a in Kfz-Klimaanlagen innerhalb der EU hat eineReihe von Forschungsprojekten iniziiert.Neben CO2-Technologie (Seite 35) 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 darauf hin 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.

Das Treibhauspotenzial ist außerordentlichgering (GWP100 = 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 schwer entflammbar, 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 Testreihen

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.Letztere 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 35).

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 eherunwahrscheinlich.

11

HFKW- und HFO-Kältemittel

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Weitere Informationen zu HFO/HFKW-Ge-mischen siehe Seite 24.

Aus der Gruppe der Hydro-Fluor-Olefinesteht eine weitere Substanz mit der Be-zeichnung R1234ze(E) zur Verfügung, diebisher vorwiegend als Treibmittel für PU-Schaum und Aerosol verwendet wurde.R1234ze(E) unterscheidet sich von R1234yfdurch eine andere Molekülstruktur. Diethermodynamischen Eigenschaften bietenauch günstige Voraussetzungen zur Verwen-dung als Kältemittel. Das Treibhauspotenzi-al ist ebenfalls sehr gering (GWP100 = 7).

Eine gewisse Unsicherheit besteht häufighinsichtlich Brennbarkeit. In Sicherheitsda-tenblättern wird R1234ze(E) als nicht brenn-bar deklariert. Dies gilt allerdings nur fürTransport 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 Seite 36,

"Sonderanwendungen".

konnte 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" unterdrücktwerden 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 kanndeshalb 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.

Mit Blick auf die relativ einfache 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.

Weitere Anwendungen für HFO-Kältemittel

Der Einsatz von R1234yf in anderen mobi-len Klimaanwendungen wird ebenfalls inErwägung gezogen, ebenso in stationärenKlima- und Wärmepumpensystemen. Zuberücksichtigen sind dabei jedoch die Füll-mengenbegrenzungen für A2L Kältemittel(z.B. EN378), die den Einsatz entsprechendeinschränken. Hinzu kommen noch Fragenzur Langzeitstabilität im Kältekreislauf beiden üblicherweise sehr langen Lebenszy-klen solcher Anlagen.Für Anwendungen, die den Betrieb mit Kältemitteln der Sicherheitsgruppe A1 (we-der brennbar noch toxisch) erfordern, wur-den bereits R134a-Alternativen mit geringe-rem GWP auf Basis von HFO/HFKW-Ge-mischen entwickelt. Sie werden seit einigerZeit in realen Anlagen eingesetzt. R1234yf, wie auch das im Folgenden be-schriebene R1234ze(E), werden ebenfallsals Basiskomponenten in HFO/HFKW-Gemischen verwendet. Diese Gemischewurden mit Blick auf gesetzliche Vorgabenzur Reduzierung von F-Gas Emissionen(z.B. EU F-Gase Verordnung) als "LowGWP"-Alternativen zu R134a, R404A/R507A,R22/R407C und R410A entwickelt. Ein Teildieser Kältemittel wurde bereits im Rahmendes von AHRI initiierten "Alternative Refri-gerants Evaluation Program" (AREP) hin-sichtlich Kälteleistung und Effizienz getestetund ebenfalls in realen Anlagen eingesetzt.

12

HFKW und HFO-Kältemittel

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Einführung

R507A) – mit einem thermodynamischen Ver-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.

Im Abschnitt "Einführung" (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 mithoher 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. 13).

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 Mittel-werte – 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,die meistens das HFCKW R22 als we-sentlichen Bestandteil enthalten. Sie sindprimär – 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,

13

Kältemittelgemische (Blends)

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Abb. 13 Verhältnisse bei Verdampfung und Verflüssigung zeotroper Gemische Abb. 14 Drucklagen von R404A im Vergleich zu R502

Druc

k

Enthalpie

TemperaturgleitMittlere VerflüssigungstemperaturMittlere Verdampfungstemperatur

tgtcmtom

CC1

DD1

A A1

B B1

Isothermen

tg

tg

tcm

tom

Siede

linie

Sattd

ampf

-Lin

i e

Druc

k [b

ar]

Temperatur [°C]

-40 40 60-20 0 20

25

15

1

20

10

2

4

6

R404A

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. DieVerdampfungs- und Verflüssigungstempera-turen sind dort jeweils auf Sattdampfzuständebezogen.

� Verdampfungstemperatur entsprechendPunkt A (Abb.13)

� Verflüssigungstemperatur entsprechendPunkt B (Abb.13)

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 Expan-sionsventil, 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 Aus-wirkungen haben als ursprünglich ange-nommen wurde. Sicher ist jedenfalls, dasssich bei den nachfolgend näher behandel-ten Stoffen der Sicherheitsgruppe A1 (sieheSeite 38) weder innerhalb noch außerhalbdes Kreislaufes brennbare Gemische ent-wickeln können. Allein durch Nachfüllen mitdem Originalkältemittel sind bei Kältemittelnmit geringem Temperaturgleit weitgend ähn-

liche Betriebsbedingungen und Leistungs-werte zu erreichen wie zuvor.

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

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

� 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.

� 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

Kältemittelgemische (Blends)

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

Abb. 16 Vergleich der Leistungsdaten eines halbhermetischen Verdichters

Druc

kgas

tem

pera

tur

[°C

]

Anteil von R218 [%]

170

0 6020 40

165

150

115

120

130

140

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A

R403

B

R502

totctoh

R22

-35°C40°C20°C

145

155

135

125

160

Leis

tung

sver

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]

110

105

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95

90

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tc

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-35°C

40°C

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115

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2

R40

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P80)

R40

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R40

3B (6

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R40

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R40

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2

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2A (H

P80)

R40

2B (H

P81)

* Beim Einsatz R22-haltiger Blends sind die gesetz-lichen Bestimmungen zu beachten, siehe auchSeite 8.

** Klassifizierung nach ASHRAE-Nomenklatur.

15

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. 15), 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 derDruckgastemperatur auf das Niveau vonR502 – etwas höhere Kälteleistung (Abb.16).

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

Page 16: Kältemittel- REpoRT 19 · Allgemeine Aspekte zur Kältemittel-Entwicklung Einführung Stratosphärischer Ozonabbau sowie atmos-phärischer Treibhauseffekt durch Kältemittel-

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 (ISCEON49 –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 Anlagenmit 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" desKältemittelherstellers.

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 sichdamit 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).

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 (Einsatzbereiche siehe Seite 40).

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 auchSeite 8.

16

Service-Gemische

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

Abb. 18 Vergleich der Leistungsdaten eines halbhermetischen Verdichters

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2

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2

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R50

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Bedingt durch die ähnlichen Siedepunktevon R143a und R125, bei relativ geringemZusatz an R134a, liegt der Temperaturgleitbeim ternären Gemisch R404A im relevan-ten Anwendungsbereich unterhalb einemKelvin. Die Verhältnisse in den 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. 18) 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 Seiten 9/10).

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 gibt es ebenfalls Vorgaben (EPASNAP Program) zum Ausstieg aus R404Aund R507A – beginnend ab 2016. WeitereRegionen werden folgen, u.a. Kanada undAustralien.

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 27).

R404A und R507A als Ersatz-stoffe für R502 und R22

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

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

"Suva" HP62 (DuPont) eingeführt und beiVerdichterherstellern 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.17). Dadurch ist auch der wirtschaftlicheEinsatz einstufiger Verdichter bei niedrigenVerdampfungstemperaturen gewährleistet.

17

HFKW-Alternativen für R502 und R22

Page 18: Kältemittel- REpoRT 19 · Allgemeine Aspekte zur Kältemittel-Entwicklung Einführung Stratosphärischer Ozonabbau sowie atmos-phärischer Treibhauseffekt durch Kältemittel-

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

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(GWP100 = 675), das dann selbst in Verbin-dung mit R125 und R134a noch wesentlichniedriger ist als bei den zuvor beschrie-benen Alternativen mit R143a (R407A:GWP100 = 2107, R407F: GWP100 = 1825).

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. 20).

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

Resultierende Auslegungskriterien

In der Anlagentechnik kann in weiten Be-reichen auf die Erfahrungen mit R502 undR22 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.

Umstellung bestehender (H)FCKW-Anlagen

Die in Untersuchungsprogrammen gewon-nenen Erfahrungen zeigen, dass qualifizierteUmrüstungen möglich sind. Je nach System-ausführung können jedoch größere Aufwän-dungen erforderlich werden.

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

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

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

Abb. 19 R407A, R407F/R404A – Vergleich der Druckgastemperaturen eines halbhermetischen Verdichters

Abb. 20 Vergleich der Leistungsdaten eines halbhermetischen Verdichters

Druc

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Verdampfung [°C]

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R407A

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R407F

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30

40

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]

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95

90

75

totctoh

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45°C

20°C

105

80

COP

R40

4A

R40

7A

R40

7F

R40

4A

R40

7A

R40

7F

18

HFKW-Alternativen für R502 und R22

Page 19: Kältemittel- REpoRT 19 · Allgemeine Aspekte zur Kältemittel-Entwicklung Einführung Stratosphärischer Ozonabbau sowie atmos-phärischer Treibhauseffekt durch Kältemittel-

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

Wesentlich ist dabei der deutlich ausge-prägte Temperaturgleit, der sich negativ aufdie Leistung bzw. Temperaturdifferenz vonVerdampfer und Verflüssiger auswirkenkann.

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. 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.

Resultierende Auslegungskriterien

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-Anlagen

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 und

Schmutz im Rohrnetz kommt. Es sind des-halb reichlich dimensionierte Saugreini-gungsfilter vorzusehen.

Umstellung von R404A/R507A-Anlagen

Größere Unterschiede in den thermodyna-mischen Eigenschaften (z.B. Massenstrom,Druckgastemperatur) und der Temperatur-gleit von R407A/F 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.

R422A als Ersatzstoff für R502 und R22

R422A (ISCEON MO79 – Chemours) wurdeu.a. mit dem Ziel entwickelt, ein chlorfreiesKältemittel (ODP = 0) für die einfache Um-stellung bestehender R502- und R22-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 undR134a sowie einem geringen Zusatz vonR600a. Wegen des relativ hohen R134a-Anteils liegt der Temperaturgleit (Abb. 34)höher als bei R404A, jedoch niedriger alsbei anderen Kältemitteln mit den gleichenGemischkomponenten – wie z.B. R417Aund R422D (siehe Seite 22).

Der Adiabatenexponent ist im Vergleich zu R404A und R507A geringer und damitauch die Druckgas- und Öltemperatur desVerdichters. Bei extremeren Anwendungenim Tiefkühlbereich können sich 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 bestehenderR502- und R22-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.

19

HFKW-Alternativen für R502 und R22

Page 20: Kältemittel- REpoRT 19 · Allgemeine Aspekte zur Kältemittel-Entwicklung Einführung Stratosphärischer Ozonabbau sowie atmos-phärischer Treibhauseffekt durch Kältemittel-

HFKW-Alternativen für R22

Nachdem das HFCKW-Kältemittel R22(ODP = 0,05) nur noch als Übergangslö-sung akzeptiert wird, ist eine Reihe chlor-freier (ODP = 0) Alternativen entwickelt undeingehend untersucht worden. Sie werdenbereits in größerem Umfang in realen Anla-gen eingesetzt.

Die Erfahrungen zeigen jedoch, dass keinesder betreffenden Substitute das KältemittelR22 in allen Belangen ersetzen kann.Unterschiede zeigen sich u.a. in der spezifi-schen Kälteleistung, Einschränkungen imAnwendungsbereich, Besonderheiten beider Systemauslegung oder auch in wesent-lich abweichenden Drucklagen. Je nachEinsatzbedingungen kommen daher ver-schiedene 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 27).

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

Abb. 22 R407C/R22 – Vergleich der Drucklagen

Verh

ältn

is R

407C

zu

R22

(=10

0%)

Verdampfung [°C]

80

110

10 20

90

100

85

95

105

-20 -10 0

COP

Q o

tc 40°C

tc 50°C

t c 50°C

t c 40°C

toh 20°C

Druc

k [b

ar]

Temperatur [°C]

-40 40 60-20 0 20

25

15

1

20

10

2

4

6

R22

R407C

Damit erfüllt R407C auch die Anforderungder neuen EU F-Gase Verordnung, die ab2020 nur noch Kältemittel mit GWP < 2500erlaubt.

Nachteilig für übliche Anwendungen ist derhohe Temperaturgleit, der eine angepassteAnlagentechnik erfordert und sich auch ne-gativ auf die Effizienz der Wärmeübertragerauswirken kann (siehe Erläuterungen Seiten13/14).

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 werden als aussichtsrei-che Kandidaten für eine kurzfristige Substi-tution von R22 angesehen – Leistungswerteund Wirtschaftlichkeit sind sehr ähnlich(Abb. 21). Zunächst wurden zwei Gemischegleicher Zusammensetzung unter den Han-delsnamen 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) mit veränderterZusammensetzung, deren Eigenschaften fürbestimmte Anwendungen optimiert sind(siehe Seite 18).

Im Gegensatz zu den R502-Alternativen mitidentischen Komponenten (Seiten 18 und19), enthalten die betreffenden R22-Substi-tute höhere Anteile an R32 und R134a.Damit wird hinsichtlich Drucklagen, Mas-senstrom, Dampfdichte und volumetrischerKälteleistung eine gute Übereinstimmungmit den Eigenschaften von R22 erreicht.Außerdem ist das Treibhauspotenzial(GWP100 = 1774) relativ niedrig, wodurchgute Vorraussetzungen für günstige TEWI-Werte gegeben sind.

* Frühere Handelsnamen werden nicht mehr verwendet.

20

HFKW-Alternativen für R22

Page 21: Kältemittel- REpoRT 19 · Allgemeine Aspekte zur Kältemittel-Entwicklung Einführung Stratosphärischer Ozonabbau sowie atmos-phärischer Treibhauseffekt durch Kältemittel-

Resultierende Auslegungskriterien

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 Richtli-nien definieren, eine individuelle Überprü-fung ist deshalb jeweils notwendig.

Abb. 23/1 R410A/R22 – Vergleich der Leistungsdaten eineshalbhermetischen Verdichters

Abb. 23/2 R410A/R22 – Vergleich der Drucklagen

Verh

ältn

is R

410A

zu

R22

(=10

0%)

Verdampfung [°C]

80

150

10 20-20 -10 0

toh 20°C

COP

Q o

tc 40°C

tc 50°C

tc 50°C

tc 40°C

90

140

130

120

110

100

Druc

k [b

ar]

Temperatur [°C]

-40 40 60-20 0 20

25

15

20

10

2

4

6

3

35

30

R22

R410A

R410A als Ersatzstofffür R22

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

Wesentliches Merkmal ist eine im Vergleichzu R22 fast 50% höhere volumetrische Käl-teleistung (Abb. 23/1), jedoch mit der Kon-sequenz eines ebenso deutlichen Anstiegsder Drucklagen (Abb. 23/2).

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 Aus-legung kann damit im System durchauseine höhere Gesamteffizienz erreicht wer-den als mit 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.

21

HFKW-Alternativen für R22

Page 22: Kältemittel- REpoRT 19 · Allgemeine Aspekte zur Kältemittel-Entwicklung Einführung Stratosphärischer Ozonabbau sowie atmos-phärischer Treibhauseffekt durch Kältemittel-

ben. Dieses R22-Substitut enthält dieGemischkomponenten R125/R134a/R600und unterscheidet sich dadurch z.B. we-sentlich von R407C mit einem entsprechendhohen 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. 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 hierfürdie 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 Ölverlagerungkommen. In solchen Fällen werden Zusatz-maßnahmen erforderlich. Weitere Informationen zu Ölzirkulation undSchmierstoffen siehe Kapitel "R422A alsErsatzstoff für R502 und R22" (Seite 19).

Wegen des hohen Treibhauspotenzials(GWP ≥ 2500) werden R417B sowie R422Din der EU bei Neuinstallationen ab 2020nicht mehr erlaubt sein. Anforderungen undEinschränkungen sind in der F-Gase Ver-ordnung 517/2014 geregelt.

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

22

Resultierende Auslegungskriterien

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. wesentlichekonstruktive 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.

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-

HFKW-Alternativen für R22

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Hinsichtlich Kälteleistung, Drucklagen,Massenstrom und Dampfdichte liegt R427Arelativ nahe an R22. Wichtige Komponen-ten wie z.B. Expansionsventile können beiUmrüstung in der Anlage verbleiben.Die Druckgastemperatur ist auf Grund deshohen Anteils an Gemisch-Komponentenmit niedrigem Adiabatenexponent deutlichgeringer 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.

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)

� Technische Information KT-651„Umstellung von R22-Anlagen aufAlternativ-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 EN378(Neufassung 2016) geregelt.

BITZER Scrollverdichter der BaureihenGSD6/GSD8 können für Labortests mitR32 geliefert werden. Eine individuelleAuslegung ist auf Anfrage möglich.

23

Abb. 24 R32/R410A – Vergleich der Leistungs- und Betriebsdaten eines Scroll-Verdichters

Rela

tiver

Ver

glei

ch [%

]

Qo

100

90

80

60

totcΔtoh

5 °C50 °C10 K110

70

COP

120

40

50

pc qm

Druc

kgas

tem

pera

tur [

°C]

Qo KälteleistungLeistungszahlVerflüssigungsdruckKältemittelmassenstrom

COPpcqm

60

80

100

120

R32

R41

0A

R32

R41

0A

HFKW R32

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24

HFO/HFKW-Gemische als Alternativen zu HFKWs

Durch die Entscheidung zum Einsatz des

"Low GWP" Kältemittels R1234yf (sieheSeiten 11/12) in Kfz-Klimaanlagen wurdeunterdessen auch die Entwicklung vonAlternativen für andere mobile Anwendun-gen sowie stationäre Systeme initiiert.

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

Basiskomponenten hierfür sind die Kälte-mittel R1234yf und R1234ze(E), die zurGruppe der Hydro-Fluor-Olefine (HFO) mitchemischer Doppelbindung zählen. Siezeichnen sich als in der Summe ihrer Eigen-schaften bevorzugte Kandidaten aus. Aller-dings sind beide Kältemittel entflammbar(Sicherheitsgruppe A2L). Außerdem ist dievolumetrische Kälteleistung relativ gering;sie liegt bei R1234yf etwa auf dem Niveauvon R134a, bei R1234ze(E) sogar um mehrals 20% niedriger.

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.Niederdruck-Kältemittel wie R1336mzz(Z)und R1233zd(E), die jedoch in erster Liniefür Flüssigungkeitskühlsätze mit großenTurboverdichtern eine Option bieten odermit Verdrängerverdichtern in Hochtempera-turanwendungen eingesetzt werden kön-nen. R1233zd(E) hat ein (sehr) geringesOzonabbaupotenzial (ODP). Bei Freiset-zung in die Atmosphäre erfolgt jedoch einrascher Zerfall des Moleküls.

Hingegen sind aktuell keine geeignetenKandidaten mit ähnlicher volumetrischerKälteleistung wie R22/R407C, R404A/R507Aund R410A für eine kommerzielle Anwen-dung in Aussicht. Direkte Alternativen fürdiese Kältemittel mit deutlich geringeremGWP müssen demnach als Gemisch vonR1234yf und/oder R1234ze(E) mit HFKW-

Kältemitteln, ggf. auch geringen Anteilen anKohlenwasserstoffen 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.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 aktuell zwei Entwicklungsrich-tungen verfolgt: � 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.

� Brennbare HFKW-Alternativen (Gemi-sche) mit GWP-Werten unterhalb zuvorgenannten etwaigen Grenzen – nachSicherheitsgruppe A2L (für schwer ent-flammbare Kältemittel). Siehe auchErläuterungen hierzu auf Seite 11.

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

Nicht brennbare R134a-Alternativen

Wie zuvor erwähnt, ist die Ausgangssituationzur Entwicklung nicht brennbarer Gemischefür R134a-Alternativen am günstigsten.

Hier können GWP-Werte von ca. 600 er-reicht werden. Dies entspricht weniger alsder Hälfte im Vergleich zu R134a (GWP100 =1430). Darüber hinaus können solche Ge-mischvarianten azeotrope Eigenschaften

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

Seit einiger Zeit wird ein von Chemoursentwickeltes Gemisch mit der BezeichnungOpteon® XP-10 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 jedoch inder Gemischzusammensetzung unterschei-det.

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 Polyolester-Öle, die jedoch besondere Anforderungenz.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.

Alternativen für R22/R407C,R404A/R507A und R410A

Nachdem die zur Verfügung stehendenHFO Moleküle (R1234yf und R1234ze) einewesentlich geringere volumetrische Kälte-leistung aufweisen als die o.g. HFKW-Käl-temittel, müssen für die jeweiligen Alterna-tiven relativ große Anteile an HFKW mithoher volumetrischer Kälteleistung zuge-mischt werden. Die potenzielle Kandidaten-liste ist dabei ziemlich begrenzt, u.a. gehörtdazu R32 mit dem Vorteil eines relativ ge-ringen GWP von 675.

HFO/HFKW-Gemische

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25

Aktuelle"Low GWP" Alternativen für HFKW-Kältemittel

HFKW-Kältemittel

ASHRAE Hersteller- Zusammensetzung GWP SicherheitsgruppeKennzeichnung Bezeichnung (bei Gemischen) AR4 (AR5)

R450A Solstice® N-13 Honeywell R1234ze(E)/134a 604 (547) A1R513A Opteon® XP10 Chemours R1234yf/134a 631 (573) A1R513B – Daikin Chemical R1234yf/134a 596 (540) A1

R134a R456A AC5X Mexichem R32/1234ze(E)/134a 687 (627) A1GWP 1430 R1234yf verschiedene – 4 (< 1) A2L

R1234ze(E) verschiedene – 7 (< 1) A2LR444A AC5 Mexichem R32/152a/1234ze(E) 92 (89) A2L– ARM-42 Arkema R1234yf/152a/134a 142 (131) A2L

R448A Solstice® N-40 Honeywell R32/125/1234yf/1234ze(E)/134a 1387 (1273) A1R449A Opteon® XP40 Chemours R32/125/1234yf/134a 1397 (1282) A1R449B – Arkema R32/125/1234yf/134a 1412 (1296) A1R460B LTR4X Mexichem R32/125/1234ze(E)/134a 1352 (1242) A1R452A Opteon® XP44 Chemours R32/125/1234yf 2140 (1945) A1

R404A/R507A R452C – Arkema R32/125/1234yf 2220 (2019) A1GWP 3922/3985 R460A LTR10 Mexichem R32/125/1234ze(E)/134a 2103 (1911) A1

Opteon® XL40 Chemours(R22/R407C) R454A – Daikin Chemical R32/1234yf 239 (238) A2L

R454C Opteon® XL20 Chemours R32/1234yf 148 (146) A2LR455A Solstice® L-40X Honeywell R32/1234yf/CO2 148 (146) A2L– ARM-20b Arkema R32/1234yf/152a 251 (251) A2LR457A ARM-20a Arkema R32/1234yf/152a 139 (139) A2LR459B LTR11 Mexichem R32/1234yf/1234ze(E) 144 (143) A2L

R22/R407C – Solstice® N-20 Honeywell R32/125/1234yf/1234ze(E)/134a 975 (891) A1GWP 1810/1774 R444B Solstice® L-20 Honeywell R32/152a/1234ze(E) 295 (295) A2L

R32 Verschiedene – 675 (677) A2L R447B Solstice® L-41z Honeywell R32/125/1234ze(E) 740 (714) A2LR410A R452B Opteon® XL55 Chemours R32/125/1234yf 698 (676) A2LGWP 2088 R454B Opteon® XL41 Chemours R32/1234yf 466 (467) A2LR459A ARM-71 Arkema R32/1234yf/1234ze(E) 460 (461) A2L

Aktuelle Alternativen Komponenten / Gemischkomponenten für "Low GWP"

HFKW-KältemittelSicherheits- GWP R1234yf R1234ze(E) R32 R152a R134a R125 CO2 R290

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

A1 ~ 600 � � � �R134a A2L < 150 � � � � �GWP 1430 A2L < 10 � �

A1 < 2500 � � � �A1 ~ 1400 � � � � �R404A/R507A A2L < 250 � � � �GWP 3922/3985 A2L < 150 � � �A2 < 150 � � �

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

A2 < 150 � � �

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

Abb. 25/2"Low GWP" Alternativen für HFKW-Kältemittel

1

1

2

3

4

5

2

Der vergleichsweise geringe GWP von R134a erlaubt den Einsatz dieses Kältemittels noch auf längere SichtGeringere volumetrische Kälteleistung als Referenz-KältemittelEntwicklungsproduktVerfügbar 2017 .. 2020AR4: gemäß IPCC IV // AR5: gemäß IPCC V – Zeithorizont 100 Jahre

��

2 2

1

3

3

Abb. 25/1 Potenzielle Gemischkomponenten für "Low GWP" Alternativen (Beispiele)

1

2

3

4

5

HFO/HFKW-Gemische

2

2

2

3

4

4

4

4

3

3

3

3

4

4

09.16

Kälteleistung, Massenstrom, Druckgastemperatur ähnlich wie R404ANur geringe Anteile – wegen Temperaturgleit (CO2) und Brennbarkeit (R290)R32/HFO-Gemische haben geringere Kältleistung als Referenz-Kältemittel, Zumischung von CO2 führt zu hohem TemperaturgleitEtwaige Werte nach IPCC IV

4

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26

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/R407C GWP-Werte oberhalb ca. 900 undOptionen für R404A/R507A GWP-Werteoberhalb ca. 1300 aufweisen. GegenüberR404A/R507A bedeutet dies aber immer-hin eine Reduzierung 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 Sicherheitsanforderungenund entsprechend angepasste Anlagen-technik.

Für R410A steht keine nicht brennbare Al-ternative in Aussicht. 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 bis500 erreicht werden können. Bei höheremHFO-Anteil kann der GWP noch weiterreduziert werden, allerdings mit dem Nach-teil einer deutlich reduzierten Kälteleistung.

In einem Entwicklungsprojekt wird ebenfallsein Gemisch aus R32 und R1123 (HFO) er-probt. Damit wäre ein noch geringerer GWPbei gleichzeitig hoher volumetrischer Kälte-leistung möglich. Allerdings bestehen Be-denken z.B. hinsichtlich der Stabilität desMolküls (CF2=CHF) und dessen Reaktivität.

Alle zuvor beschriebenen Gemisch-Optio-nen weisen auf Grund der Siedepunkt-

unterschiede der einzelnen Komponenteneinen mehr oder weniger ausgeprägtenTemperaturgleit auf. Hier gelten dann eben-falls die im Zusammenhang mit R407Cbeschriebenen 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 entsprechendhohen Anteil an R125, entwickelt. DerGWP liegt dabei etwas oberhalb von 2000,jedoch unterhalb des in der EU F-GaseVerordnung ab 2020 gesetzten Limits von2500. Der wesentliche Vorteil solcherGemische liegt in der moderaten Druckgas-temperatur, die den Betrieb in den typi-schen Anwendungsgrenzen von R404Aermöglicht.

Abb. 25/1 zeigt eine Übersicht der poten-ziellen Gemischkomponenten für die zuvorbeschriebenen 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 von Chemours, Honeywell, Arkema, Mexichemund Daikin Chemical entsprechende Ge-mischvarianten für Labortests, teilweiseauch bereits für Feldtests oder realeAnwendungen angeboten. Eine Reihe vonKältemitteln sind noch als Entwicklungs-produkte deklariert und werden noch nichtkommerziell vertrieben. Bisher werdennoch häufig Handelsnamen verwendet,eine größere Anzahl von HFO/HFKW-Gemi-schen sind jedoch bereits in der ASHRAENomenklatur geführt.

In Abb. 25/2 sind eine Anzahl derzeit liefer-barer bzw. als Entwicklungsprodukte de-klarierte Kältemittel gelistet. Wegen der

großen Variantenvielfalt und potenziellenÄnderungen bei Entwicklungsproduktenwurde bei BITZER bisher nur ein Teil derneuen Kältemittel getestet. Deshalb wur-den in den Tabellen auf Seiten 38/39 (Abb.33/34) vorläufig nur Kältemitteldaten vonnicht brennbaren R134a- und R404A/R507A-Alternativen (GWP < 1500) aufge-nommen, die bereits in der ASHRAE-Nomenklatur gelistet sind und kommerzielangeboten werden.

Zur Erprobung von "Low GWP" Kältemit-teln wurde von AHRI (USA) ein Testpro-gramm unter dem Titel "Alternative Refrige-rants Evaluation Porgram (AREP)" initiiert.Hierbei wurden eine Reihe der in Abb. 25/2aufgeführten Produkte sowie halogenfreieKältemittel untersucht und bewertet.

Aus Sicht eines Verdichterherstellers wärees anzustreben, die derzeit sich abzeich-nende Produktvielfalt zu reduzieren unddas künftige Angebot auf wenige "Stan-dard-Kältemittel" zu beschränken. Es wirdweder für Komponenten- und Systemher-steller noch für Installations- und Service-unternehmen möglich sein, mit einer grö-ßeren Palette von Alternativen praktischumzugehen.

BITZER ist in verschiedenen Projektenmit HFO/HFKW-Gemischen stark enga-giert und konnte bereits wichtige Er-kenntnisse beim Einsatz dieser Kälte-mittel gewinnen.

Halbhermetische Hubkolbenverdichterder ECOLINE Serie sowie CS. und HS.Schraubenverdichter können mit dieserneuen Kältemittel-Generation bereitseingesetzt werden. Leistungsdaten füreine Reihe von Kältemitteln sind bereitsin der BITZER Software hinterlegt.

Scrollverdichter der Baureihen GSD6/GSD8 sind für Labortests mit R32 oderR32/HFO-Gemischen freigegeben. Eine individuelle Verdichterauslegung istauf Anfrage möglich.

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

HFO/HFKW-Gemische

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27

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 verwendeten Ölesind mit dem Kältemittel nicht löslich. Sie müssen mit aufwändiger Technik abge-schieden werden und schränken auch denEinsatz "trockener Verdampfer" – wegenBeeinträchtigung des Wärmeaustausches –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.

Resultierende Auslegungs- und Ausführungskriterien

Bezogen auf den bisherigen "Stand derTechnik" 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, Wärmeaustauscherund Armaturen 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 Kälteverdichter wird üblicherweise in

"offener Bauart" ausgeführt, der Antriebs-

motor ist ein separates Bauteil.

Diese Maßnahmen erhöhen den Aufwandfür NH3-Anlagen, insbesondere im Bereichmittlerer und kleinerer Leistungen, ganzbeträchtlich. Es werden deshalb weltweitAnstrengungen unternommen, um 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 Kältemittelfül-lung beträchtlich reduzieren lässt.

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 mit Halogen-Kältemitteln vorbehaltenwaren. Eine Beurteilung über den Einsatzvon NH3-Kompakt-Systemen – anstelle von

Halogenfreie Kältemittel

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Abb. 26/1 Vergleich von Druckgastemperaturen Abb. 26/2 NH3/R22 – Vergleich der Drucklagen

Druc

kgas

tem

pera

tur

[°C

]

Verdampfung [°C]

-40 10-20 040

60

140

100

80

tctoh

η

40°C10K0,8

R290

R134a

R404A

-10-30

120R22

NH3

R723

160

180

Druc

k [b

ar]

Temperatur [°C]

1

25

0 60

6

15

4

10

20

-40 -20

2

4020

R22NH3

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)

� 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 mitkonventionellen Schmierstoffen sowie einereduzierte Druckgastemperatur für denerweiterten Anwendungsbereich mit einstufi-gen Verdichtern.

Das Resultat dieses Forschungsprojekts ist ein Kältemittelgemisch aus NH3 (60%)und Dimethylether "DME" (40%), das vomInstitut 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.

Anlagen mit HFKW-Kältemitteln und kon-ventioneller Technik – ist nur auf individuel-ler Basis unter Berücksichtigung der jeweili-gen Anwendung möglich. Aus rein techni-scher Sicht und unter der Voraussetzungeines akzeptablen Kostenniveaus, wird einebreitere Angebotspalette in absehbarer Zeitzu erwarten sein.

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

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

� 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

28

Halogenfreie Kältemittel

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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. 26/1) und ermöglicht dadurch eineErweiterung des Anwendungsbereichs hin zuhöheren Druckverhältnissen. Auf Basis ther-modynamischer Berechnungen ergibt sich inder Kälteleistung ein Anstieg im einstelligenProzentbereich gegenüber NH3. Die Leis-tungszahl liegt ähnlich und ist – experimen-tell bestätigt – bei hohen Druckverhältnissensogar günstiger. Auf Grund des geringerenTemperaturniveaus bei der Verdichtung istdavon auszugehen, dass zumindest beiHubkolbenverdichtern mit zunehmendemDruckverhältnis auch ein verbesserter Liefer-und Gütegrad zu erwarten ist.

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) potentielleinsetzbar 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 Azeotropin der Sicherheitsgruppe B2 eingestuft,könnte jedoch bei einer Neubewertung eineÄnderung erfahren.

Resultierende Auslegungskriterien

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.

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 Kältemittelgruppe A3 einge-stuft sind. Bei den in gewerblichen Sys-temen üblichen Kältemittel-Füllmengenbedeutet dies eine Ausführung des Sys-tems entsprechend Explosionsschutz-Be-stimmungen.

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

Halogenfreie Kältemittel

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

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

Verh

ältn

is R

290

und

R127

0 zu

R22

(=10

0%)

Verdampfung [°C]

80

120

-40 0 10-30 -20 -10

90

110

100

Q o (R290)

COP (R1270)

COP (R290)

Q o (R1270)

tc 40°Ctoh 20°C

Dru

ck [

bar]

Temperatur [°C]

1

25

0 60

6

15

4

10

20

-40 -20

2

4020

R22

R1270

R290

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.

Resultierende Auslegungskriterien

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. 26/1) sind einstufigeVerdichter bis etwa -40°C Verdampfungs-temperatur einsetzbar. Damit wäre R290auch als Alternative zu einigen HFKW-Gemischen anzusehen.

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

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 die notwendigen Ex-Schutz-maßnahmen bei Einsatz von R290 er-scheint eine Umstellung bestehender An-lagen nur in Ausnahmefällen möglich.Sie beschränkt sich auf Systeme, die mitvertretbarem Aufwand den entsprechendenSicherheitsvorschriften angepasst werdenkönnen.

Ergänzende BITZER-Informationen zurAnwendung von R290

� Technische Information KT-660-3„Einsatz von Propan und Propen mithalbhermetischen Verdichtern“

30

Halogenfreie Kältemittel

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31

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 für Supermärkte) von beson-derem Interesse. Allerdings sind höhereDrucklagen (>20%) und Druckgastempera-turen zu berücksichtigen, die den Einsatz-bereich wiederum einschränken.

Die Materialverträglichkeit ist mit Propanvergleichbar, gleiches gilt auch für dieSchmierstoffauswahl.Propylen ist ebenfalls leicht entflammbarund gehört zur Kältemittelgruppe A3. Es gelten deshalb die gleichen Sicherheits-bestimmungen wie für Propan (Seite 30).

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.

Resultierende Auslegungskriterien

Für die Anlagentechnik lassen sich dieErfahrungen von Propan weitgehend über-tragen. Wegen der höheren volumetrischenKälteleistung (Abb. 27) 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 Verdichterausführung erfor-derlich.

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

� Technische Information KT-660-3„Einsatz von Propan und Propen mithalbhermetischen Verdichtern“

Halogenfreie Kältemittel

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

200100 300 400 500 6000

20

40

60

80

100

120

140

160

Enthalpie [kJ/kg]

Druc

k [b

ar]

31,06°C

2Transkritischer Prozess

Unterkritischer Prozess

R744 (CO2)

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

Druc

k [b

ar]

Temperatur [°C]

0

80

0 80

60

50

70

-60 4020

40

30

20

10

-40 -20 60

kritische Temperatur 31,06°C

CO2

R404A

R22

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 Anwendung

Eine auch aus energetischer Sicht und hin-sichtlich Drucklagen sehr vorteilhafte An-wendung bietet sich für industrielle undgrößere gewerbliche Kälteanlagen an. Hier-für kann CO2 als Sekundärfluid in einemKaskadensystem verwendet werden – beiBedarf in Kombination mit einer weiterenVerdichtungsstufe für tiefere Verdampfungs-temperaturen (Abb. 30/1).

Kohlendioxyd 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 CO2zurückgedrängt 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

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Halogenfreie Kältemittel

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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 der Leck-age verhindert wird. In Brauereien wirddiese 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.

Abb. 30/1 zeigt eine Variante mit zusätzli-chem Sammler, der von einem oder mehre-ren Booster-Verdichtern auf den erforder-lichen Verdampfungsdruck abgesaugt wird.Das Druckgas wird ebenfalls in den Kaska-denkühler eingespeist, verflüssigt und inden nachgeschalteten Sammler abgeleitet.Von dort aus erfolgt die Einspeisung in denNiederdruckabscheider (TK) über eineSchwimmereinrichtung.

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

CO Kaskade2HFKW (NH3 / KW)*

* nur mit Sekundärkreislauf

Abb. 30/1 Kaskadensystem mit CO2 für industrielle Anwendung

CO2

TK NK

LC

PC

CPR

NK TK

NH3 / KW /HFKW

VereinfachteDarstellung

VereinfachteDarstellung

Halogenfreie Kältemittel

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Transkritische Anwendung

Der transkritische Prozess ist u.a. dadurchcharakterisiert, dass die Wärmeabfuhr aufder Hochdruckseite isobar, aber nicht iso-therm verläuft. Im Gegensatz zum Verflüs-sigungsvorgang bei 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 Systemauch subkritisch und unter diesen Bedin-gungen mit verbessertem Wirkungsgrad

betrieben werden. In diesem Fall wird derGaskühler zum Verflüssiger.

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

Wie eingangs beschrieben, erscheint dietranskritische Betriebsweise bei rein ther-modynamischer Betrachtung hinsichtlichEnergie-Effizienz eher ungünstig. Dies trifftauch tatsächlich auf Systeme mit einemrelativ hohen Temperaturniveau der Wärme-senke auf der Hochdruckseite zu. Allerdingskönnen 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 deutlich über klassischenAnlagen mit 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.

Resultierende Auslegungs- und Ausführungskriterien

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.

Für subkritische CO2 Anwendungenbietet BITZER zwei Baureihen speziellerVerdichter an.

Ergänzende BITZER-Information zurVerdichterauswahl für subkritischeCO2-Systeme

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

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

� Weitere Publikationen auf Anfrage

34

Halogenfreie Kältemittel

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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 geringereWirkungsgrade aufweisen als leistungsglei-che stationäre Anlagen. Gründe dafür liegenin den spezifischen Einbauverhältnissen und * Weitere Informationen hierzu siehe Seite 11.

LTMT

CO2 Booster System

den 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 güns-tigere Bilanz hinsichtlich des TEWI.

Aus heutiger Sicht ist keine Prognose darü-ber möglich, ob sich die CO2 Technologiein dieser Anwendung auf längere Sichtdurchsetzen kann.Dies ist sicherlich auch von den Erfahrun-gen mit den von der Automobil-Industrieinzwischen eingeführten "Low GWP" Kälte-mitteln (Seite 11) abhängig. Dabei werdenu.a. Betriebssicherheit, Kosten und dieweltweite Logistik eine gewichtige Rollespielen.

Abb. 31 Beispiel für transkritisches CO2 Booster System

Ergänzende BITZER-Information zurVerdichterauswahl für transkritischeCO2-Systeme

� Prospekt KP-130Halbhermetische Hubkolbenverdichterfür transkritische CO2-Anwendung

� Weitere Publikationen auf Anfrage

Besonders anspruchsvoll ist die Verdich-tertechnik. 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 Verbundsystemenbesonders vorteilhaft ist. Für die Schmierstoffe gelten in noch stär-kerem Maße die zuvor im Zusammenhangmit subrkritischen Systemen beschriebenenKriterien.

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 Prüfung undBewertung sind deshalb erforderlich.

VereinfachteDarstellung

Halogenfreie Kältemittel

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R124 und R142b als Ersatzstoffe fürR114 und R12B1

An Stelle der früher in Hochtemperatur-Wärmepumpen und Kranklimaanlagen ver-wendeten Kältemittel R114 und R12B1können zumindest in Neuanlagen dieHFCKW R124 und R142b als Alternativeneingesetzt werden. Dabei ist auch derBetrieb mit langjährig erprobten Schmier-stoffen möglich – vorzugsweise Mineralöleund Alkylbenzole hoher Viskosität.Wegen des 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 (Kältemittelgruppe 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 Gebietemit 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. Bisher durchgeführte Untersuchun-gen und Feldtests zeigen zwar güns tigeResultate, mit einer kritischen Temperaturvon 102°C ist die Verflüssigungstemperaturaber bei üblicher Anlagentechnik auf85...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 11).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 – mäßigentflammbar und deshalb in der neuenSicherheitsgruppe A2L eingestuft. Die ein-schlägigen Sicherheitsvorschriften sind zubeachten.Bisher liegen allerdings keine ausreichendenBetriebserfahrungen vor, eine Bewertungüber die Eignung dieses Kältemittels imlangjährigen Einsatz ist deshalb noch nichtmöglich.

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

Die kritische Temperatur liegt bei 171°C, dieSiedetemperatur 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), dieeine 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.

36

Sonderanwendungen

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

Druc

kgas

tem

pera

tur –

rela

tiver

Unt

ersc

hied

zu

R13B

1 [K

]

40

30

20

10

0

-10

-30

-20

Basis R13B1

R41

0A

ISC

EON

MO

89

to

tc

Δtoh

-70°C

40°C

20 K

37

Dazu gehört R245fa (GWP100 = 950) 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 denHandelsnamen 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.

Bei ISCEON MO89 handelt es sich um einGemisch aus R125 und R218 mit einemgeringen Anteil von R290. Bedingt durchdie Eigenschaften der beiden Hauptkompo-nenten sind Dichte sowie Massenstromrelativ hoch und die Druckgastemperatursehr niedrig. Als besonders vorteilhaft er-weist sich Flüssigkeitsunterkühlung.

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 oder R508A/B in der Tieftemperaturstufe.

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

Alternativen für R13 und R503

Bei diesen Stoffen ist die Situation nochrelativ günstig, sie können durch R23 undR508A/R508B ersetzt werden. Ebenfallsgeeignet wäre R170 (Ethan), falls die Si-cherheitsvorschriften eine brennbare Sub-stanz (Sicherheitsgruppe 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 Tieftempera-turbereich abgestimmt sein müssen.

R170 hat auch mit konventionellen Schmier-stoffen eine gute Löslichkeit. Allerdings sindauch hier entsprechende Anpassungen andie Temperaturbedingungen nötig.

BITZER hat mit einer Reihe der zuvorbehandelten Substitute entsprechendeUntersuchungen durchgeführt und Er-fahrungen gesammelt – Leistungsdatenund Ausführungshinweise sind auf An-frage erhältlich.Wegen der in diesen Sonderbereichensehr individuellen Anlagentechnik, istjedoch jeweils eine direkte Abstimmungmit BITZER erforderlich.

Sonderanwendungen

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R22R124R142b

R134aR152aR125R143aR32

R227eaR236fa

R23

R404AR507A R407AR407FR422A

R437A

R407CR417AR417BR422DR427AR438A

R410A

ISCEON MO89

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 EN378-1 bzw. ASHRAE 34

gemäß FprEN378:2016

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)3143 (2850)

1805 (1640)

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

2088 (1920)

3805 (3324)

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

HFO und HFO/HFKW-Gemische – weitere Gemische sowie Daten siehe Seite 25

0,30,110,049

0,250,0270,390,0480,061

0,630,59

0,68

0,520,530,330,320,29

0,081

0,310,150,0690,260,290,079

0,44

N/A

0,230,25

0,0580,0610,350,319

0,3880,357

0,00035N/A

0,0110,0080,008

0,008

0,07

A1A1A2

A1A2A1A2LA2L

A1A1

A1

A1A1A1A1A1

A1

A1A1A1A1A1A1

A1

N/A

A1A1

A2LA2LA1A1

A1A1

B2LB2A3A3A3

A3

A1

09.16

CHClF2CHClFCF3CCIF2CH3

CF3CH2FCHF2CH3CF3CHF2CF3CH3CH2F2

CF3-CHF-CF3CF3-CH2-CF3

CHF3

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

R125/134a/600/601

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

R32/125

R125/218/290

R23/116R23/116

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-Komponenten

sieheSeite 40

sieheSeite 40

sieheSeite 40

sieheSeite 41

R13B1

Kältemittel

HFCKW-Kältemittel

3

3

4

5

6

5 6

45

1

1

1

1

1

1

2

2

2

Die Angaben in Abb. 33 und 34 gelten unter Vorbehalt; sie basieren auf Veröffentlichungen verschiedener Kältemittelhersteller.

Abb. 33 Kältemitteldaten (Fortsetzung siehe Abb. 34)

38

1

HFKW Einstoff-Kältemittel

Kältemitteldaten

Page 39: Kältemittel- REpoRT 19 · Allgemeine Aspekte zur Kältemittel-Entwicklung Einführung Stratosphärischer Ozonabbau sowie atmos-phärischer Treibhauseffekt durch Kältemittel-

-41-11-10

-26-24-48-48-52

-16-1

-82

-47-47-46-46-49

-33

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

-51

-55

-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 Kalorimeter-Messungen.

Gerundete Werte

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

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

R22R124R142b

R134aR152aR125R143aR32

R227eaR236fa

R23

R404AR507A R407AR407FR422A

R437A

R407CR417AR417BR422DR427AR438A

R410A

ISCEON MO89

R508AR508B

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

R448A (N-40)R449A (XP40)

R717R723R600aR290R1270

R170

R744

09.16

Abb. 34 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

6,66,42,5

3,6

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

<0,2

4,0

00

000

0,6

6,24,5

00000

0

0

96122137

101113667378

102>120

26

7371838372

95

878775818780

72

70

1314

9511097105

8382

1331311359792

32

31

63105110

8085515642

96117

1

5554565756

75

586858626463

43

50

-3-3

82927886

5858

60581147061

3

-11

80 (L)

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

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

104 (M)100 (M)

108 (M)

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

140 (H)

98 (M)

102 (M)88 (M)

96 (M)96 (M)

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

112 (M)

+35

-8N/AN/AN/AN/A

-34-34-19-11-39

-7

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

-4

-14

-7-6

+12+12

+60+35N/A-25-20

sieheSeite 41

55

55

55

55

55

55

55

55

4 4

39

HFKW-Gemische

Halogenfreie Kältemittel

HFO und HFO/HFKW-Gemische – weitere Gemische sowie Daten siehe Seite 25

HFCKW-Kältemittel

HFKW Einstoff-Kältemittel

Kältemitteldaten

Page 40: Kältemittel- REpoRT 19 · Allgemeine Aspekte zur Kältemittel-Entwicklung Einführung Stratosphärischer Ozonabbau sowie atmos-phärischer Treibhauseffekt durch Kältemittel-

-100-80-60-40-2002040

R454B l R459A

R1234yf l R450A l R513A/B

R1234ze(E)

R32

R448A l R449A/BR454A/C l R455A l R457A

l R452A/C

Verdichter für Hochdruck 45 bar

Grafik enthält nur Kältemittel, die in der ASHRAE-Nomenklatur gelistet und bereits kommerziell verfügbar oder in absehbarer Zeit verfügbar sind 1

2

1

Verdampfung C

R447B l R452B

2-stufig

2

2

Abb. 36 Anwendungsbereiche von „Low GWP“ Kältemitteln (HFO, HFO/HFKW-Gemische, R32)

Verdampfung C

-100-80-60-40-2002040

R227ea l R236fa

R134a

R407C l R417A

R410A

R23 l R508A l R508B

Verflüssigungstemperatur eingeschränktEinsatz unterEinschränkungen

Verdichter für Hochdruck 45 bar

KASKADE

1

2

ISCEON MO89

R437A

R404A l R507A

R407A l R407F l R417BR422A l R422D l R427A l R438A

2 2-stufig

2

2

12-stufig

2-stufig

HFKW-Kältemittel

Abb. 35 Anwendungsbereiche von HFKW-Kältemitteln (ODP = O)

40

Anwendungsbereiche

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

Page 41: Kältemittel- REpoRT 19 · Allgemeine Aspekte zur Kältemittel-Entwicklung Einführung Stratosphärischer Ozonabbau sowie atmos-phärischer Treibhauseffekt durch Kältemittel-

R290 l R1270

-100-80-60-40-2002040

R600a

R170

Verdampfung C

NHR723

3

CO2

Einsatz unter Einschränkungen

KASKADE

2-stufig

2-stufig

2-stufig

2-stage / Booster

(H)FCKW

Service-Gemische mit R22

HFKW + Gemische

Traditionelle Öle Neue Schmierstoffe

VG VG VG

AD

+VG

Min

eral

öl

Alky

lben

zol

Min

eral

öl +

Alky

lben

zol

Poly

-Alp

ha-

Ole

fin (P

AO)

Este

r (PO

E)

oly-

A Min

eral

öl

lkyl

en-

Gly

kol (

PAG

)

hydr

ierte

s

VG

Besonders kritisch bei Feuchtigkeit

Eventuell höher

AD ggf. spezielle

e Basis-Viskosität Formulierung

Gute Eignung

Einsatz unter Einschränkungen Nicht geeignet

Poly

viny

l-

Ethe

r-Öl

(PVE

)

(MO

)

(AB)

Poly

ol-

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

VG VG

Eignung abhängig von Systemausführung

HFKW/KW-Gemische

+VG

Kohlenwasserstoffe

HFO+HFO/HFKW-Gemische

3NH l R723

Halogenfreie Kältemittel

Abb. 37 Anwendungsbereiche halogenfreier Kältemittel

Schmierstoffe

Abb. 38 Schmierstoffe für Verdichter

41

Anwendungsbereiche � Schmierstoffe

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42

Notes

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Notes

43

Page 44: Kältemittel- REpoRT 19 · Allgemeine Aspekte zur Kältemittel-Entwicklung Einführung Stratosphärischer Ozonabbau sowie atmos-phärischer Treibhauseffekt durch Kältemittel-

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