Kältemittel - Eigenschaften und Auswahl

Die richtige Auswahl des Kältemittels bestimmt wesentlich die Einsatzgrenzen und Anwendungsbereiche sowie die Effizienz einer Kälteanlage. Neben der thermodynamischen Eignung spielen weitere Auswahlkriterien wie die Umweltrelevanz, Sicherheit, ökonomische Kriterien und auch die Verfügbarkeit eine entscheidende Rolle bei der Auswahl der Kältemittel. Das ideale Kältemittel wäre neben seiner thermodynamischen Eignung weder giftig, noch brennbar, überall auf der Welt verfügbar und zudem noch günstig und hocheffizient. Eine detaillierte Aufstellung der Kriterien und deren Beschreibung erfolgt weiter unten. Praktisch ist es schwierig und in den meisten Fällen unmöglich dieses "ideale" Kältemittel auszuwählen.

Die folgenden Grafiken verdeutlichen das Dilemma am Beispiel der halogenierten Methan-Derivate. In der linken Grafik die sind die möglichen Kombinationen aus Kohlen-Wasserstoff und den Halogen Chlor und Flour dargestellt. Rechts werden die synonymen Bezeichnungen der Stoffe als Kältemittel verwendet. Es wird deutlich, dass mit steigendem Chloranteil das Ozonzerstörungspotential (ODP s.u.) steigt, mit höherem Flouranteil ist hingegen der Betrag des Kältemittels zum Treibhauseffekt (GWP s.u.) höher. Mit zunehmenden Anteil an Wasserstoff sinkt zwar das GWP aber die Brennbarkeit erhöht sich tendenziell.

Halogenierte Kältemittel Methahnreihe

 

Das Kältemittel-Dilemma

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Eigenschaften von Kältemitteln

Der folgende Abschnitt gibt einen groben Überblick über wichtige Eigenschaften von Kältemitteln und deren Bedeutung für die praktische Anwendung. Im Einzelfall spielen vielfach weitere Faktoren bzw. die Kombination einzelner Faktoren eine bedeutende Rolle. Sprechen Sie uns hierzu gerne an (Kontakt). 

Wesentliche Kenngrößen und Eigenschaften, die bei der Auswahl eines geeigneten Kältemittels eine Rolle spielen sind u.a.:

Temperatur und Druck:

• Der Normalsiedepunkt (Englisch: NBP Normal Boiling (Bubble) Point) ist die Verdampfungstemperatur des Kältemittels bei Atmosphärendruck (101,3 kPa). Diese Temperatur bestimmt grundsätzlich die Eignung des Kältemittels für die Anwendung. Beispiele: für die Kühlung von Lebensmitteln (Anwendungstemperatur ca. 5-10°C) beträgt die notwendige Verdampfungstemperatur des Kältemittels ca 0 °C, geignet sind daher Kältemittel wie etwa Isobutan (R600a). Bei Luft / Wasserwärmepumpen, die bei Außentemperaturen von z. T. unter -20 °C noch arbeiten, beträgt die Verdampfungstemperatur auch unter -30 °C, d.h. es kommen nur Kältemittel mit einem niedrigen NBP wie etwa R410A bzw. die Alternativ-Kältemittel, die im Rahmen der F-Gase Verordnung zum Einsatz kommen.
• Die Dampfdruckkurve beschreibt die Beziehung zwischen dem Druck und der jeweiligen Verdampfungs- / bzw. Verflüssigungstemperatur. Druckverhältnisse, Druckdifferenzen und die grundsätzliche Drucklage haben u.a. Einfluss auf die Effizienz der Anlage (im wesentlichen des Verdichters) aber auch auf andere Größen wie etwa die Verdichtungsendtemperatur. Die Drucklage ist darüber hinaus auch relevant bei der Einstufung in verschiedenen Richtlinien und Norme (bzw. der Druckgeräterichtlinie).
• Der kritische Punkt (mit der kritischen Temperatur und dem kritischen Druck) ist ein Maß für die Eignung des Kältemittels bei höheren Temperaturen der Wärmesenke.
• Der Temperaturgleit ist die Differenz zwischen der Temperatur zu Beginn und zum Ende des Verdampfungsvorgangs bei konstantem Druck für zeotrope Gemische. (Bei azeotropen Gemischen und Reinstoffen ist der Temperaturgleit null). Diese Temperaturdifferenz ist bei der Auslegung und Konstruktion von Wärmeübertragern und bei der Reglung der Kälteanlagen zu berücksichtigen.

Umweltrelevanz

• Das Treibhauspotential GWP (Global Warming Potential, CO2=1), als Maß für den Beitrag eines Kältemittels zum Treibhauseeffekt.
• Das Ozonzerstörungspotential ODP (Ozone Depletion Potential) (R11=1), sollte für alle heutigen Kältemittel null sein. Obwohl es derzeit alternative Kältemittel gibt wie etwa R466A, die anscheinend doch über ein geringes ODP verfügen. Möglich wird dies dadurch, dass diese Stoffe nicht im Montreal Protokoll geregelt sind.
• Die Energieeffizienz, ausgedrückt durch die Leistungszahl (COP: Coefficient of Performance, bzw. EER: Energy Efficiency Ratio), bzw. die Jahresarbeitszahl (JAZ bzw. SCOP (Seasonal COP) oder SEER Seasonal EER). Diese Leistungszahlen sind von den Anwendungsbedingungen und bei den Arbeitszahlen auch vom Verbrauchs- bzw. Nutzungsverhalten abhängig, werden aber auch durch das Kältemittel mitbestimmt.

Sicherheit

• Dazu zählen vor allem  die Toxizität und die Brennbarkeit des Kältemittels aber auch die Drucklage.
• Die Klassifizierung der Kältemittel hinsichtlich der Toxizität und Brennbarkeit erfolgt nach ISO 817

Weitere Größen

Es gibt verschiedenste Eigenschaften von Kältemitteln, die zusätzlich je nach Anwendung von Bedeutung sind,

• so ist z. B. die volumetrische Kälteleistung ein wesentliches Indiz für die benötigte Verdichterbaugröße,
• der Massenstrom de Kältemittels (als Anwendungsfunktion) bestimmt die Druckverluste und hat damit Einfluss auf die Effizienz, 
• die Dichte des Kältemittels hat Einfluss auf die Füllmenge und damit auch auf den Preis und die Sicherheitsanforderungen,
• u.v.m. (sprechen Sie uns hierzu gerne an (Kontakt))