Die Qual der Wahl Welches Kältemittel für die Klimatechnik?carrier.de/fileadmin/user_upload/fachveroeffentlichungen/100256... · R22 Verbot seit 1.1.2000 Weiterbetrieb bis 2015

Die Qual der Wahl

Welches Kältemittel für die Klimatechnik?

Carrier GmbH, UnterschleißheimAugust 2001

Was ist eigentlich so schlecht an diesen Kältemitteln, daß sie ersetzt werden müssen?

Am 28. Juni 1974 veröffentlichten die Forscher Rowland und Molina eine Hypothese über die Schädigung der Ozonschicht durch FCKWs in der Natur.

Eine direkte Folge ist die höhere UV-Strahlung auf der Erde, wodurch Star und Hautkrebs zunehmen. Weltweit ist eine Erhöhung der Temperatur auf der Erde wahrnehmbar, aber auch das Plankton im Ozean wird geschädigt.

1987 führte die Hypothese dieser Herren nach ausführlichen Untersuchungen zu der Benennung von Chlor in FCKWs als Auslöser. Anschließend folgte ein Abkommen über die Produktionseinschränkung: das Montrealer Protokoll.

Nach diversen Verschärfungen in den Jahren 1990/1992 und 1995, wo u.a. die Produktionseinschränkung von H-FCKWs hinzugefügt wurde, wurde die Produktion von FCKWs 1995 eingestellt.

Dieser Zeitraum wird durch Zusammenarbeit und Investierung gekennzeichnet.

OzonabbauStratosphäreOzon

Troposphäre

uv

CCl

F

Cl

O2+

+

O3

++

+


Ehe wir auf die heutige Gesetzgebung im Kältemittel-Bereich kommen, hier eine Übersicht des ozonabbauenden Potentials einiger vorhandener und neuer Kältemittel.

R11/R12 wurden hier als Ausgangsbasis gewählt - als echte oder starke FCKWs. Es sind voll halogenierte Kältemittel ohne Wasserstoff (H).

Die zweite Gruppe sind H-FCKWs, wozu R22, aber auch das Ersatz-Kältemittel für R11, nämlich R123 gehören. In dieser Gruppe sind auch sehr viele Service-Kältemittel zu finden, die hier nicht weiter genannt werden. Die H-FCKWs sind teilweise halogeniert, d.h. es sind auch Wasserstoffatome im Molekül vorhanden.

Die dritte Gruppe sind HFKWs. Diese Kältemittel enthalten kein Chlor und haben somit kein Ozonabbau-Potential.

Kältemittel-KlassifizierungOAP Ozonabbau-Potential verglichen mit R11

10,80,60,40,20

R11 R12 R22 R123 R134a R407C R410A R404A

FCKWHFCKWHFKW


In diesem Diagramm sieht man die weltweiten Abbaupläne (Montreal Protokoll), aber auch das europäische Szenarium.

In Europa gibt es Länder, die noch viel weiter gehen, wie z.B. Deutschland und Schweden.

In Montreal bestand ein großer Druck aus Europa, die Gesetzgebung noch zu verschärfen. Hier wurden aber keine weiteren Anpassungen durchgeführt. Der Grund dafür ist, daß die H-FCKWs als Übergang zu umweltfreundlicheren Kältmitteln nicht schlagartig verboten werden sollten.

Der europäische Antrag bei den Verhandlungen war ein Limit von 2,6% (weniger Produktion in Tonnen) und Produktionsstop im Jahre 2010. Dies ist eine Verschärfung der europäischen Gesetzgebung, und das deutet darauf hin, daß es in Europa noch schneller gehen soll ....

2,8% Limit

35 % - 2010

10 % - 20150.5% - 2020

65 % - 2004

Europäische Gesetzgebung

MontrealerProtokollDeutschland

Deutschlandland

Europa, Geräte mit über 150 kW Leistung

5%5%

Schweden, Dänem

ark

Heutiger Stand Montrealer Protokoll und übrigeGesetzgebung für HFCKWs

1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030

2,6% Limit

40%

20%

65%80%

Max.-Stand 1995


Gesetzgebung in Deutschland.

Laufen wir jetzt voraus oder nicht?

Wir liefen tatsächlich voraus. Beim endgültigen Verbot in bestehenden Kälteanlagen wird sich Deutschland einer europäischen Gesetzgebung anschließen.

Unterschiedliche Ausstiegsfristen für H-FCKW1998 Schweden2000 Deutschland, Dänemark, Finnland2002 Östereich2003 Schweiz2008 Italien2015 USA2020 Montreal Protokoll

Japan, China, Rußland, Fernost

Rechtslage in der Bundesrepublik

FCKW- Halogen-Verbotsverordnung

Bekanntmachung von Ersatz-Kältemitteln für R134 a und R22 anstelle von R12.

Frist: 30. Juni 1998

1990

1995


Zusammenfassung der VorschriftenVerordnung (EG) Nr. 2037/2000 vom 29. Juni 2000

H-FCKW-Neuanlagen:1.1.2001 >100 kW Kälteleistung1.1.2004 <100 kW Kälteleistung

Service:1.1.2010 Keine Frischware1.1.2015 Verbot aller H-FCKW´s

Jährliche Inspektion:Bei Kälteanlagen > 3kg Füllmenge

Verbot von FCKW:1.1.2001 Inverkehrbringen und Verwenden

Diese Verordnung der Europäischen Gemeinschaft ist am 1.Oktober 2000 in Kraft getreten und somit ist für alle angeschlossenen Staaten in Europa eine einheitliche Gesetzgebung geschaffen worden.


R11 Verbot seit 1.1.1992 Verbot seit 1.1.2001(Verordnung EU)

R12 Verbot seit 1.1.1992 Verbot seit 1.7.1998 in D

R123 Verbot seit 1.1.2001 Weiterbetrieb erlaubt ?R22 Verbot seit 1.1.2000 Weiterbetrieb bis 2015 !!!

Verfügbarkeit ?EU-Verordnung 2037/2000

Zusammenfassung der Vorschriften

FCKW

H-FCKW

Neuanlagen Vorhandene Anlagen

Auf dieser Abbildung sind die derzeit in Deutschland geltenden Vorschriften für FCKW- und H-FCKW- Kältemittel übersichtlich zusammengestellt mit ohne Berücksichtigung der neuen EU-Verordnung Nr. 2037/2000 vom 25. Juni 2000.


H-FCKW Produktionsbeschränkung

1999

2001

2003

2005

2007

2009

2011

2013

2015

0100020003000400050006000700080009000

10000

neu bestehend

OA

PTo

nnen

Neben dem Verbot in verschiedenen Anwendungen wurde auch ein Abkommen über Produktionseinschränkung getroffen. Im Anschluß an frühere Abkommen innerhalb Europas liegt der Beginn beim Jahr 2000 bis und einschließlich 2004. In diesem Zeitraum gibt es noch eine große Nachfrage aus dem Wartungsbereich, wobei die Produktion stark eingeschränkt ist.


Dann stellen wir doch einfach ein neues Kältemittel her, aber wie nennen wir es?

Das periodischen System der Elemente gibt Sie eine Übersicht aller möglichen Substanzen. Daraus ist ersichtlich, daß viele Substanzen oder Kombinationen von Substamzen nicht möglich sind.

Manche bilden einen festen Stoff, wie z.B. die Metalle Fe, Cu, aber auch Ca.

Andere sind radioaktiv oder instabil wie z.B. Uran und ähnliche.

Wieder andere sind Edelgase und reagieren daher nicht. Wenn die Substanz an sich nicht brauchbar ist, fällt sie für uns weg.

Manche bilden giftige Stoffe, und das war auch der Grund, warum SO2 nicht mehr verwendet wurde.

So bleiben die von Methan, Äthan und Propan abgeleiteten Substanzen übrig, unter anderem R50, R170 und R290.

Kältemittel-Labor

R22


Dieses Blatt enthält eine Übersicht einiger Derivate von Methan.Jedes Kältemittel hat eine Numerierung, die für alle Kältemittel konsequent durchgeführt wird. Die erste 0 wird nicht benutzt, so daß ein Kältemittel mit zwei Zahlen immer nur ein C umfaßt.Auffallend ist, daß Chlor nicht benannt wird.Aus Methan entstehen sowohl FCKWs, nämlich R11 und R12, als auch H-FCKWs, nämlich R22 (mindestens ein H).Bei den HFKWs sehen wir R32, das vielen Gemischen hinzugefügt wird. Bei Derivaten von Äthan oder Propan ist neben der Numerierung noch ein Unterschied im Molekularaufbau möglich.Um diesen Unterschied im Molekularaufbau deutlich zu machen, werden die Kleinbuchstaben a,b,c usw. hinzugefügt wenn wir von der symmetrischen Form abweichen.So wird das ‚a‘ bei R134a hinzugefügt.Nicht nur R134 hat dieses Zeichen, es kommt auch in der Isomerie vor.Substanzen sind z.B. R143a und R152a. Beiden werden bei H-FKWs als Komponente in Gemischen eingesetzt.Allein der Molekularaufbau kann als andere Substanz angesehen werden.Beispiel: R134 Siedepunkt -19,7°C

R134a Siedepunkt -26,1°C

Einige von Methan CH4 (R50) abgeleitete Kältemittel

• HFKWs R-32 R-23H H

F-C-F F-C-FH F

• H-FCKWs R-30 R-22Cl Cl

H-C-H F-C-FCL H

• FCKWs R-12 R-11

Cl Cl F-C-F Cl-C-Cl

Cl F

Namensgebung Rxyzx = Anzahl C-1y = Anzahl H+1 CHLOR nicht benanntz = Anzahl F

Isomerie

F FF - C -C - H

F H

R134a

H H HH - C - C - C - H

H H H

R290


HFKWs als reine Fluide sind in der Anzahl sehr begrenzt. Eine weitere Möglichkeit ist das Mischen dieser HFKWs zu neuen Kältemitteln, welche die für unsere Anwendung gewünschten Eigenschaften haben.Azeotrop:Gemisch von Elementen, das sich wie eine neue Substanz verhält. Das betrifft vor allem Kondensations- und Siedepunkt. Namensgebung R5.. usw. Beispiel: R502 = R22 und R115 (FCKW)

R507 = R134a und R125Zeotrop:Gemisch von Elementen, die nebeneinander bestehen bleiben. Das bezieht sich speziell auf die Kondensations- und Siedekurve. Eine Komponente nach der anderen kocht aus der Lösung.Namensgebung R4.. usw. Wir erkennen dieselben Substanzen, in einem anderen Verhältnis gemischt, an der Hinzufügung der Großbuchstaben A, B, C usw, d.h. gemische haben immer Großbuchstaben.Beispiel: R404A = R143a/R125/R134a, das Ersatzkältemittel für

R502R407A/B/C/E = R32/R125/R134a GLIDE = 5-7 KR410A = R32/R125 GLIDE <0,2 K

Natürliche Kältemittel R7.. plus MolekularmasseBeispiel: Ammoniak R717 ist 3 x H plus 1 x N = 17

Wasser R718 ist 2 x H plus 1 x O = 18

Alternative Kältemittel

R11R12

FCKW

R22R123

H-FCKW

R32R134aR125R143aR290

HFKW

R717R718

Natürlich

Reine Fluide

R407CR404AR410A

Zeotrop

R502R507R410A

Azeotrop

Gemische

Kältemittel


Wie wählt man das richtige Kältemittel neben dem Vergleich der thermodynamischen Eigenschaften und auf der Basis der Ozonschädigung?

ASHRAE-Norm 34 bietet eine Einteilung der Kältemittel nach Giftigkeit und Brennbarkeit; in Deutschland gibt es eine ähnliche Nomenklatur.

Natürlich müssen wir danach streben, in die Klasse A1 zu kommen, denn einenKompromiß über Sicherheit gibt es nicht.

R11, R12 und R22 waren alle in Klasse A1R123 fällt in die Gruppe B1R32 fällt in die Gruppe A2R717 fällt in die Gruppe B2R290 fällt in die Gruppe A3

Für Gemische ist der Platz im Diagramm schwer zu bestimmen, da eine Zerlegung auftritt. Durch diese Klassifizierung ist der Prozentsatz von R32 in R407C beschränkt.

Sicherheit(Brennbarkeit/Giftigkeit)

ASHRAE (American Society of Heating and Refrigerationand Air Conditioning Engineers) Norm 34 gibt eine Sicherheitsqualifikation für Kältemittel vor

stark brennbar A3 B3leicht brennbar A2 B2nicht brennbar A1 B1

ungiftig giftig


Der Treibhauseffekt oder auch Erwärmung der Erdatmosphäre.Kältemittel sind Treibhausgase. Wenn es zu einer Undichtigkeit kommt, kann man diesen direkten Effekt relativ zu R11 angeben, aber auch im Vergleich zu CO2. Dabei ist es dann wichtig, eine Zeitbasis anzugeben, denn ein Kältemittel hat eine Bestandzeit von vielen Jahren. Nachstehend einige Zahlen des direkten Effektes zum Vergleich.R134a = 1300 R407C = 1770 R290 = 3Daneben gibt es den indirekten Effekt. Dieser geht auf den Wirkungsgrad und die Betriebszeit der Maschine zurück, in der das Kältemittel eingesetzt wird. Außerdem ist dabei noch wichtig, wie die Elektrizität erzeugt wird.

TEWI (Total Equivalent Warming Impact = Gesamt-Äquivalenz-Erwärmungsfaktor) ist eine Kombination beider Werte (direkt und indirekt).

In unserer Branche ist die Kältemittelwahl für ca. 2% von Wichtigkeit, bezogen auf den Gesamt-Treibhauseffekt, wobei wir bedenken müssen, daß alle alternativen Kältemittel weniger leistungsfähig sind.R134a verglichen mit R12R123 verglichen mit R11R407C verglichen mit R22

R134a ist aber besser als beispielsweise R22 oder R502.

KYOTO-Abkommen

DIREKT

INDIREKT

Die neuen Kältemittel sind weniger effizient

T.E.W.I.

Emission von Treibhausgasen reduzieren auf 8%


Bei einer Zusammenfassung fällt auf, daß R134a, was Sicherheit, Ozonabbau-Potential und Gesamt-Treibhauseffekt angeht, am besten abschneidet. Dann folgen R407C und R410A, obgleich die natürlichen Kältemittel einen besseren Wirkungsgrad aufweisen. Die Klassifizierung A3 oder B2 zeigt aber, daß sie nicht überall eingesetzt werden können.

Industriell oder in sehr kleinen Geräten bieten sich Möglichkeiten für diese Kältemittel, wobei in vielen Fällen auch ein etwas höherer Preis bezahlt werdenmuß.

Wichtig:Von den verschiedenen alternativen Kältemitteln eignen sich also nur einige für unseren Fachbereich.

Zusammenfassung

FCKW 11FCKW 12H-FCKW 123H-FCKW 22H-FKW 134aH-FKW 407CH-FKW 410AH-FKW 404AHKW 290R 717

A1A1B1A1A1A1A1A1A3B2

110,020,05000000

40008500931700130017701730370031

5,374,995,34,814,94,734,714,44,814,93

SICHERHEIT OAP GWP COP


TEWI = TOTAL EQUIVILENT WARMING IMPACT

TEWI = (GWP x L x n) + (GWP x m [ 1 - αrecovery ] + (n x E annual x ß )

Leckage

Direkter Treibhauseffekt IndirekterTreibhauseffekt

Rückgewinnungsverluste Energiebedarf

GWP = Treibhauspotential [ CO2-Äquivalent ]L = Leckrate pro Jahr [ kg ]n = Betriebszeit der Anlage [ Jahre ]m = Anlagenfüllgewicht [ kg ]αrecovery = Recycling-FaktorE annual = Energiebedarf pro Jahr [ kWh ]ß = CO2-Emission pro kWh ( Energie-Mix)

TEWI – Kennwert für Treibhauseffekt

Nach anfänglich mißverständlichen Angaben über den Treibhauseffekt (GWP) durch unterschiedliche Basiszahlen (R11 bzw. CO2 ) ist inzwischen eine Bewertungsmethode entwickelt worden, mit der die Auswirkungen auf den Treibhauseffekt beim Betrieb von Kälteanlagen individuell beurteilt werden können: TEWI = Total Equivalent Warming Impact.

Der üblicherweise höchste Anteil am Treibhauseffekt einer Kälteanlage ist der (indirekten) CO2 – Emission durch Energieerzeugung zuzurechnen. Bedingt durch den hohen Anteil fossiler Brennstoffe in Kraftwerken liegt die freigesetzte CO2-Masse – im europäischen Durchschnitt – bei etwa 0,6 kg pro kWh elektrischer Energie. Über die gesamte Lebensdauer einer Anlage resultiert daraus ein erheblicher Treibhauseffekt.

Wegen des hohen Anteils an der Gesamtbilanz besteht deshalb neben der Forderung nach Alternativkältemitteln mit günstiger (thermodynamischer) Energiebilanz auch ein vermehrter Zwang zum Einsatz hocheffizienterKältemaschinen und Zusatzaggregate sowie optimierter Systemkomponenten.


CO2-Emission

R22 R407c R134a NH3Direkter Effekt (CO2kg) 18 000 19 500 14 400 0Indirekter Effekt (CO2kg) 4 678 153 4 678 153 4 678 153 4 678 153Gesamter Effekt (CO2kg) 4 696 153 4 696 653 4 692 533 4 678 153% Direkt zu Gesamt 0,38% 0,42% 0,42% 0,00%% zu COP 3,5 -14,03% -14,02% 14,04% -14,08%

COP : 4.0

R22 R407c R134a NH3Direkter Effekt (CO2kg) 18 000 19 500 14 400 0Indirekter Effekt (CO2kg) 4 165 810 4 165 810 4 165 810 4 165 810Gesamter Effekt (CO2kg) 4 183 810 4 185 310 4 180 210 4 165 810% Direkt zu Gesamt 0,43% 0,47% 0,34% 0,00%% zu COP 3,5 -29,94% -24,93% -24,96% -25,03%

COP : 4.5

Die Tabelle enthält auf deutsche Energieerzeugung basierende detaillierte Zahlen direkter und indirekter CO2-Emission einer Kälteanlage mit kompaktem Flüssigkeitskühler und 350 KW Kälteleistung. Die Auswertung dieser errechneten Zahlen ergibt einige hochinteressante Feststellungen:

• der direkte Effekt beträgt zur Gesamtemission lediglich ca. 0,35 %;

• eine erhöhte Effizienz der Kältemaschine (COP) um 0,5 vermindert die CO2-Emission um 14 %; bei COP-Erhöhung um 1,0 beträgt die Emissionsverminderung erhebliche 25 %;

• das brennbare und toxische Natur-Kältemittel Ammoniak hat zwar keinen direkten Effekt, doch wenn Kältemaschinen mit chlorfreien HFKW-Kältemitteln einen um 0,35 % besseren COP (4,014 gegenüber 4,0 von NH3) besitzen, ist die CO2-Gesamtemission ausgeglichen;

• man darf wohl die Frage stellen, warum bei diesen geringeren Unterschieden der Einsatz von gefährlichen Kältemitteln überhaupt erwogen wird.


Die obenstehende Strategie spricht für sich, aber ist nicht immer direkt einsetzbar.

Die Entwicklung neuer Techniken ist teuer und zeitraubend, so daß zunächst bestehende Konstruktionen mit umweltfreundlicheren Kältemitteln geliefert werden. Bei einem solchen Retrofit oder „Drop-in“ kann jedoch kein optimales Preis-Leistungsverhältnis erzielt werden.

Kältemittel-Strategie• Kein ozonabbauendes Potential.• Kältemittelfüllung minimalisieren.• Dieselbe Strategie für alle Länder (weltweite Strategie).• Kein Kompromiß bei der Sicherheit der Umwelt.• Der Treibhauseffekt von Kältemitteln hat eine direkte und

eine indirekte Komponente. Für die Klimatechnik ist die indirekte Komponente bei weitem am wichtigsten.

• Energiewirkungsgrad und Kompaktheit kann mit Hilfeneuer Technologie verbessert werden.


In diesem Basis-Diagramm ist auf einen Blick zu sehen, welches Kältemittel auf der Grundlage von Maschinenkonstruktion und Kälteleistung ein anderes Kältemittel ersetzen kann.

Auf der vertikalen Achse ist der Saugdruck angegeben. Hier wird deutlich, daßder Saugdruck von R12 und R134a ungefähr gleich ist und zweimal so hoch wie der von R11 oder dessen Ersatz-Kältemittel R123. Der Saugdruck von R22 ist wieder zweimal so hoch, und R410A auch wieder zweimal höher. R410A liegt schließlich bei etwa 8 bar. Dieser Saugdruck sagt etwas über die Konstruktion der Maschine aus.

Auf der horizontalen Achse finden wir die Kälteleistung, bezogen auf das verdrängte Volumen. Hier sehen wir, daß R22 ungefähr 35% mehr Leistung je angesaugtem m3 liefert als R12, aber 50% weniger als R410A. Hier wird also angegeben, wie groß ein Verdichter für eine bestimmte Kälteleistung sein muß.

Gehen wir auf die Suche nach einem Ersatz für R22, dann sehen wir, daß R407C hier als ”Drop-in” verfügbar ist. Das Wort ”Drop-in” ist so zu verstehen, daß es ”in seinem bestehenden Aufbau, ohne große Unterschiede der Betriebsbedingungen oder Kälteleistung” eingesetzt werden kann.

R407C besteht als Gemisch von Elementen aus R134a (Sicherheit), R32 (Kälteleistung) und R125 (Aufhebung der Brennbarkeit).

Vergleich von Alternativen

R134a

R12

R22

R407C

R32

R410A

R404AR507

R125R502

Volumetrische Kapazität

Ver

dam

pfun

gsdr

uck

R123R11


R407C hat als zeotropes Gemisch ein Temperatur-Glide. Das ist nichts anderes als die Verflüssigung oder Verdampfung der drei Substanzen nacheinander, aus denen sich R407C zusammensetzt.

Bei R407C ist das Glide zirka 5 bis 6 K.

Verflüssigung von 50 auf 45°C, wobei die Temperatur, bei welcher der erste Flüssigkeitstropfen gebildet wird, der Taupunkt (Ttaup) genannt wird.

Verdampfung von -2 bis 3°C, wobei die Temperatur, bei welcher die erste Gasblase gebildet wird, der Blasenbildungspunkt (bubble point Tbub) genannt wird.

Die direkte Folge des Glide ist, daß die Gaszusammensetzung unterschiedlich ist. Erst verdampft R32, dann R125 und als letztes R134a. In der Praxis ist diese Reihgenfolge nicht so streng nacheinander, sondern mehr durcheinander. Gut geschulte Servicetechniker messen an einer Maschine, damit keine Probleme wegen des Glide auftreten. Unterkühlung und Überhitzung werden als wesentliche Meßwerte wie bei R22 gemessen.

R407C im log p-h-Diagramm

h

GLIDE

TtaupTbublog p


6

-10

2

-2

-6

Kälteleistungs-Verhältnis

niedrig ARI hoch-16

C.O.P. -Verhältnis0

-4

-8

-12

niedrig ARI hoch

%

2x Plattenwärmetauscher2x Rohrbündelwärmetauscher1x Platten-/1xLamellen-WT 1x Rohrbündel-/1xLamellen-WT

R407C

Ein gutes Produkt für R407C berücksichtigt das Glide bei der Wärmeübertragung in Kühler und Verflüssiger. Wegen der Temperaturkurve des Kältemittels sollte ein Gegenstrom-Wärmetauscher verwendet werden. Ein solcher Gegenstrom-Wärmetauscher ist nicht immer möglich. Heute ist es gebräuchlich, bis 100 kW Plattenwärmetauscher einzusetzen. Manchmal werden zwei nebeneinander eingesetzt, aber das führt direkt zu einer schlechten und gefährlichen Temperaturregelung der Kältemaschine.

Durch das Glide im Plattenwärmetauscher wird die für den Wärmeübertrag erforderliche Durchschnittstemperatur zirka 0,5°C niedriger. Für größere Geräte sind keine Gegenstrom-Wärmetauscher erhältlich und mit diesem Kältemittel ist kein überfluteter Verdampfer möglich. Carrier hat einen vollständigen Zweikreis-Plattenwärmetauscher bis 250 kW entwickelt, um R407C einsetzen zu können.

Bemerkenswert ist der Tatbestand, daß Rohrbündelwärmeübertrager mit R410C gegenüber R22 erheblich reduzierte Kälteleistung und zusätzlich auch eine wesentlich schlechtere Leistungszahl (COP) aufweisen.

Aus der Abbildung ist deutlich erkennbar, daß R407C generell eine schlechtere Leistungszahl gegenüber R22 besitzt und ein „Drop-in“ bei bestehenden Anlagen daher volkswirtschaftlich nicht ratsam ist.


R134a ist der direkte Ersatz für R12, das in der Klimatechnik vorwiegend in Turbokältemaschinen zum Einsatz kommt.

Die hermetische Konstruktion von vor 20 Jahren ist als Hochdruck-Konstruktion so erfolgreich und leckdicht, daß vorhandene Maschinen umgebaut wurden. Wir sehen auch, daß diese alten Konstruktionen als Basis für neue R134a-Kältemaschinen verwendet werden.

Konkret sind die Änderungen: synthetisches Öl, O-Ring-Einsatz und Kältemittelaustausch. Ohne Verdichteranpassung variieren die Kälteleistungen wegen des doch etwas anderen Druckverhältnisses zwischen 70 und 100%. Wenn auch noch das Verdichterlaufrad angepaßt oder die Drehzahl erhöht wird, sind Kälteleistungen über 100% erreichbar.

Bei R134a anstelle von R11 oder seinem Ersatz-Kältemittel R123 wird deutlich, daß eine ganz andere Konstruktion erforderlich ist.

Will man R134a erfolgreich einsetzen, dann müssen seine Eigenschaften berücksichtigt und neue Techniken verwendet werden.


R134a

R12


Ver

dam

pfun

gsdr

uck

R123R11


19XR/XRT19XR/XRTHermetische Turbokältemaschine

Im Leistungsbereich von 500 bis 2000 kW wurden jahrelang Turbokältemaschinen mit dem Kältemittel R11 verwendet. Diese Kältemaschinen-Konstruktionen sind beim Einsatz von R134a nicht zu gebrauchen, da wir von einem Unterdruck im Kühler zu einem Überdruck von 2 bar übergehen. Im Verflüssiger gehen wir sogar von 2,5 auf 12 bar.

Die Hochdruck-Konstruktion hat viele Vorteile wie:- Keine Entlüftung- Verschiedenartige Konstruktion- Einfache Leckerkennung- Geringere Abmessungen- Interne Kältemittelabsperrung

Trotzdem gibt es auch Nachteile wie:- Aufwendigere Konstruktion- R134a besitzt einen schlechteren Kreisprozeß-Wirkungsgrad

als R123/R11

Neben den aufgeführten Vor- und Nachteilen gibt es auch Ausgangspunkte, die von der Konstruktion heute anders gewählt werden. Hierunter fällt z.B. eine dichtere Konstruktion durch Wahl einer hermetischen Ausführung.


Theorie des Kühlvorgangs

T

s

3

1

4

5 KompressionExpansion

2

Der Kühlvorgang im T-S-Diagramm gibt uns ein Bild davon, wo die Verluste sind oder mit anderen Worten: wo muß ich bei der Anwendung eines Kältemittels aufpassen .

Der theoretische Kühlvorgang:1 > 2 Expansionsventil oder Drosselorgan2 > 3 Verdampfung im Kühler3 > 4 Verdichtung4 > 5 > 1 Abkühlung der Druckgase und Verflüssigung

Punkt 3 bestimmt die angesaugte Kältemittelmenge eines gegebenen Verdichters.

Die rot schraffierte Fläche ist der Energiebedarf, den der Vorgang erfordert. Die Fläche unter 2 > 3 zeigt die gelieferte Kälteleistung.

Ein T-S-Diagramm ist kältemittelabhängig. Für ein bestimmtes Kältemittel sind die Verluste im Vergleich zum Carnot-Wirkungsgrad unterschiedlich. Bei NH3z.B. auf der Druckgasseite, während R134a mehr Verlust auf der Expansionsseite zeigt.


Neue Technik

Einsatz neuer Techniken:

Dem T-S-Diagramm kann man entnehmen, daß ein guter Wirkungsgrad einen geringen Unterschied zwischen Tverflüssigung und Tverdampfung voraussetzt.

Durch Einsatz spezieller Rohrarten wie SPIKEFINS usw. vergrößern wir die Wärmeaustauschfläche und den Wärmeübergangsfaktor und können bis zu 0,25°C an die Wasseraustrittstemperatur herankommen.

Die Kaltwasserspreizung 13-7°C liefert 6,75°C Verdampfungstemperatur und somit eine kleinere rot schraffierte Fläche.


Der Verdichter

Neue Technik


Beim Verdichter ist der isentrope Wirkungsgrad wichtig. Dies ist ein Maß des Verlustes bei der Verdichtung. R134a arbeitet mit anderen Drücken als die bisher gewohnten beim Niederdruckkältemittel R11. Also müssen neue Verdichter entwickelt werden.

Dieser einzigartige Einstufenverdichter, der von den Carrier-Ingenieuren entwickelt wurde, hat ein offenes Laufrad, das eine Baugruppe mit dem Austrittsdiffusor bildet, wobei der Diffusor strömungsgünstig mit auf den Umfang verteilten konischen Bohrung gebaut ist.

Damit ist ein isentroper Wirkungsgrad von 85-90%, kombiniert mit stabilem Betrieb bis ca. 15% Teillast möglich.


Die Turbine

Neue Technik

Extra Kühlleistung Turbine h

logp

Das logp -h -Diagramm


Der bis jetzt befolgte Weg ist für alle Kältemittel gleich und soll z.B. mit R123 einer einfachen Maschine einen höheren Wirkungsgrad bieten.

Zurück zum T-S-Diagramm und dem Verlust auf der Expansionsseite. Bei R134a ist hier ein hoher Verlust und so kann auch viel gewonnen werden. Die Lehrbücher schreiben, daß eine Expansionsmaschine Energie zurückgewinnen und diese in Antriebsenergie für den Verdichter umsetzen kann. Ebenso weiß man, daß es hier in der Praxis noch Probleme gibt.

Bei R134a paßt diese Theorie. Eine Zweiphasen-Expansionsturbine kann mit einem isentropen Wirkungsgrad von 55% Energie aus dem Expansionsvorgang in Antriebsenergie umsetzen. Die Drehzahl von ca. 3000 U/min und die Abmessungen von ca. 200 mm sorgen dafür, daß hier ohne Extra-Belastung der Lager gearbeitet werden kann, wobei der Kältemaschinen-Wirkungsgrad um etwa 5% zunimmt.

Ein Kältetechniker arbeitet nicht mit einem T-S-Diagramm sondern mit einem h/logp-Diagramm. Der Ordnung halber muß gesagt werden, daß der Maßstab nicht ganz richtig ist.


1 MW Turbokältemaschine

20001975

direkt

indirekt

direkt

indirekt

0,07%

99,93%77,3%

26,3%

TEWI= 18.6 x 106 kg Co2 TEWI= 7,9 x 106 kg Co2

Diese Abbildung zeigt sehr deutlich den technologischen Fortschritt im Bau von Turbokältemaschinen der letzten 25 Jahre. Der TEWI beträgt heute nur noch ca. 42% von damals, wobei neben dem vernachlässigbar kleinen direkten Effekt vor allem der indirekte, also die Energieeinsparung, den Technologiesprung deutlich macht.



R134a

R22


Ver

dam

pfun

gsdr

uck

R134a als Ersatz für R22.

Unter 800 kW ist die Turbotechnik nur begrenzt einsetzbar. Auch wurde dieses Marktsegment in der Vergangenheit durch R22-Hubkolbentechnik dominiert, bei der zwei Kältekreise Standard sind. Beim Schritt zu R134a haben wir den Vorteil des theoretisch höheren Wirkungsgrads, aber um das Ganze erschwinglich zu machen, müssen wir die richtige Technik einsetzen. Außerdem geht die Leistung mit R134a stark zurück, was teilweise durch fehlende Überhitzung und eine hohe Verdampfungstemperatur verhindert werden kann.

Ein sehr guter Aspekt von R134a ist das Potential, eine Verflüssigerwasser-Austrittstemperatur von 60°C bis 65°C zu liefern. Eine nicht umkehrbare Wärmepumpe wird dadurch viel besser einsetzbar.

Will man auch hier R134a erfolgreich einsetzen, dann müssen seine Eigenschaften berücksichtigt und neue Techniken verwendet werden.


Neue Technik

GEGENÜBERSTELLUNG ÜBERFLUTETER ZWEIKREIS-VERDAMPFER UND DIREKTVERDAMPFUNG

KÄLTEMITTEL

SAUGSEITE

KÄLTE-MITTEL-

EINTRITT

Rohre

DDAMPF-SEITE

FLÜSSIGKEITS-NIVEAU

SENSOR

VERDAMPFER

Direkte Verdichter-

montage

Verteiler-platte


Bei dieser Art von Geräten ist für die Leistung und einen guten Wirkungsgrad eine hohe Verdampfungstemperatur erforderlich. Auch ist Überhitzung ein Faktor, der soweit wie möglich verhindert werden muß. Überflutete Verdampfer bieten eine gute Lösung, wie wir bei Turbokältemaschinen gesehen haben.

Überflutete Verdampfer mit zwei Kältekreisen und einem Wasserkreislaufmußten neu entwickelt werden. Bei dieser Entwicklung stieg die Verdampfungstemperatur von 1°C auf ca. 4 bis 5°C.

Durch den berechneten Durchmesser und die große Anzahl Rohre im überfluteten Verdampfer bietet der Einsatz dieses Flüssigkeits-/Flüssigkeits-Wärmetauscherseine Senkung der Kältemittelmenge je Kreislauf.

Es ist ein Verdichter erforderlich, der weniger empfindlich gegenüber Flüssigkeitsschlägen ist und direkt auf dem Kühler installiert wird, damit die Überhitzung von 0 K sicher betriebssicher gewährleistet ist..


Neue Technik


Von je her werden Verdrängungsverdichter eingesetzt, bei denen mehrere Kältekreise in einer Maschine verwendet werden. Diese Verdichter wurden für R22 entwickelt und verlieren bei Einsatz mit R134a ca. 35% Kälteleistung. Außerdem sind sie empfindlich gegenüber Flüssigkeitsschlägen. Um mehr Leistung zu erlangen, muß das verdrängte Volumen des Verdichters erhöht werden.Das bedeutet größere Verdichter oder Erhöhung der Drehzahl.Halbhermetische Hubkolbenverdichter erreichen maximal 1750 U/min.Um die Kühlleistung zu erhöhen, ist die Drehzahl von Schraubenverdichtern zu erhöhen, wie es schon seit 30 Jahren bei Turboverdichtern gemacht wird.Erhöhte Drehzahl heißt: Leistungssteigerung

Kurze starre Konstruktion besitzt weniger LeckanlagenLeckage entlang des Rotors bleibt gleich.

R134a-Druckunterschied heißt: Weniger Leckagen am dem RotorWeniger LagerbelastungAngepaßtes Rotorprofil

Berechnungen haben ergeben, daß der maximale Wirkungsgrad einesSchraubenverdichters mit R134a bei etwa 9000 U/min erreicht wird. Die Schlußfolgerung muß sein, daß ein indirekt angetriebener Schraubenverdichter und R134a zusammengehören.


Neue Technik


Um die neuen Techniken optimal einzusetzen, sind vollständig integrierteRegelungen erforderlich. Aspekte wie Regelung des Kältemittelstands im Kühler, nach minimalen Verflüssigungstemperaturen und voll belasteten Schraubenverdichtern sind gerade im oft unterschätzten Teillast-Bereichunerläßlich, um zu einem optimalen Wirkungsgrad zu kommen.



R134a

R22

R407C

R410A


Ver

dam

pfun

gsdr

uck

Als letztes kommen wir zum Ersatz von R22 in kleinen Kältesystemen mit hermetischen Verdichtern.

R134a ist hier zu teuer, da indirekt angetriebene Verdichter für diesen Sektor nicht hergestellt werden und Standard-Verdichter mit 3000 U/min gebraucht werden. Hohe Investition in Wärmetauscher wird nicht als sinnvoll erachtet, da die luftseitige Wärmeübertragung bestimmend ist und nicht die Kältemittelseite.

Die Wahl ist hier zwischen R407C und R410A. Obgleich das eine als ‚Drop-in‘ betrachtet wird, wurde doch eine völlig neue Verdichterserie dafür entwickelt. Das Glide ist abweichend, aber wie schwierig ist das jetzt für den Wartungstechniker auf dem Dach. Wo liegen jetzt die Möglichkeiten?


R410a als Alternative• Betriebsdruck plus 50% heißt andere

Wärmetauscher, aber kleinere Geräte• Hermetikverdichteranpassung

– Scroll/Rollkolben – Hülle– Öl

• Verflüssigerrohre 7 mm


Die amerikanische ebenso wie die japanische Industrie sieht in R410A den idealen Ersatz für R22 in Raumklimageräten und Split-Systemen.

Besonders die höheren Drücke fordern hier neue Techniken, aber sie bieten auch neue Möglichkeiten, d.h. im Endeffekt kleinere und preiswertere Aggregate.

Die neue Technik ist im Laufe des Jahres 1999 verfügbar geworden.

Neue Scroll- und Rollkolbenverdichter für höhere Drücke müssen noch entwickelt, bzw. optimiert werden, um zu besseren Leistungszahlen zu kommen.

Senkung der Kältemittelmenge, u.a. durch weniger Verflüssiger-/Verdampfer-Inhalt.


Wirkungsgrad-Vergleich

Wirkungsgradverglichen mit R-22 R-134a R-407C R-410A

Thermodynamisch + 2 - 4 - 7Verdichter - 3 - 1 + 5Wärmetauscher - 6 - 2 + 5Rohrleitungen - 2 0 + 2

Total (netto) - 9 - 7 + 5

Wenngleich R410A nicht den theoretisch besten Wirkungsgrad bietet, sieht man, wo doch noch Vorteile erzielt werden können.

Vor allem die Transporteigenschaften sind entscheidend. Bei Geräten dieser Art ist es nicht ungewöhnlich, daß zwischen Innen- und Außengeräten längere Kältemittel-Leitungen zu velegen sind. Das Fehlen des Glide bietet in den Wärmetauschern auch einen Vorteil.

Außerdem werden nur wenige Kilogramm Kältemittel komprimiert, was sich zu einem theoretisch besseren Verdichter-Wirkungsgrad übersetzt.

Alles in allem ein Nettogewinn von 5%. Dieser Gewinn kann genutzt werden, um kompakter zu bauen, aber auch, um den Energieverbrauch zu senken.


Warum R-410A?Typ Temperatur- Spezielle Einfache

Glide Füllmethode Füllungnach Leck

Reine Nein (0,0 K) Nein JaVerbindung(R134a)

Azeotropes Nein (0,0 k) Nein JaGemisch

R-410a Vernach- Nein** Ja**lässigbar

Zeotropes Ja (>>0,0 K) Ja NeinGemisch(R407C)

R410A hat den Nachteil höherer Drücke. Daher müssen z. T. neue Montagewerkzeuge angeschafft werden, aber wenn dieses Hindernis einmal überwunden wurde, verhält es sich so, wie wir es gewöhnt sind. Kein schwieriges Glide und keine komplizierte Meßmethode und sogar kein Leistungsverlust bei einer nicht undenkbaren Undichtigkeit.

Bewiesen ist, daß der Leckage-Prozentsatz bei bauseitig hergestellten Verbindungen ein Vielfaches größer ist, als bei werkseitigen Verbindungen.

Bei Füllungen gibt es keine Probleme mit Spezialzylindern, die nur Flüssigkeit füllen oder beim kompletten Füllungsaustausch.


Schlußfolgerung:Durch Einsatz von speziell auf die neuen Kältemittel abgestimmten Techniken sind wir heute in der Lage, preislich günstige Produkte herzustellen. Trotz der schlechteren theoreti-schen Werte sind höhere Wirkungsgrade errreichbar, und so können wir auch der gerechtfertigten Forderung nach einer Senkung des Energieverbrauchs entsprechen.


Documents

Die Qual der Wahl Welches Kältemittel für die Klimatechnik?carrier.de/fileadmin/user_upload/fachveroeffentlichungen/100256... · R22 Verbot seit 1.1.2000 Weiterbetrieb bis 2015