Leitfaden für die Kältemittelauswahl

Ausblick auf die Kältemittel der Zukunft

Die Auswahl des richtigen Kältemittels ist kein einfaches Unterfangen. Jedes Kältemittel hat Vor- und Nachteile, die fachkundig gegeneinander abgewogen werden müssen. Auch in Zukunft wird es notwendig sein, vor dem Einsatz eines Kältemittels die Eignung für die entsprechende Anwendung zu prüfen. Dieser Leitfaden bietet bei der richtigen Kältemittel-Auswahl wertvolle Unterstützung.

Vor dem Hintergrund neuer gesetzlicher Bestimmungen besteht die Notwendigkeit, Kältemittel durch neue Stoffe mit geringeren Umweltauswirkungen – auch in bestehenden Anlagen – zu ersetzen. Westfalen hat seit vielen Jahren Erfahrung im Umgang mit Kältemitteln und unterstützt bei der Planung oder Umstellung des Kältemittels in einer Kälteanlage.

Die Auswahl des richtigen Kältemittels

Das Kältemittel ist der Betriebsstoff einer Kälteanlage. In ihr zirkuliert es, wird verdampft, verdichtet, verflüssigt und entspannt. Es übernimmt den Wärmetransport, indem es unterhalb der Umgebungstemperatur Wärme durch Verdampfen aufnimmt und diese Wärme oberhalb der Umgebungstemperatur durch Verflüssigen wieder abgibt.

Die Wahl des richtigen Kältemittels hat wesentlichen Einfluss auf Wirkung, Kon­struktionsaufwand und Energieverbrauch einer Kälteanlage. Zudem sollte man bei der Auswahl auch Rücksicht auf die zahlreichen Gesetze und Verordnungen nehmen, damit man langfristig mit dem passenden Kältemittel auf der sicheren Seite ist.

Das ideale Kältemittel

Um es gleich vorwegzunehmen: Das ideale Kältemittel für den Universaleinsatz gibt es nicht. Dafür sind die Anwendungsgebiete zu unterschiedlich. Trotzdem erfüllen sowohl Kältemittel modernster Prägung als auch einige „alte Bekannte“ höchste Anforderungen. Für fast alle Einsatzfelder bieten sich damit intelligente sowie ökonomisch und ökologisch sinnvolle Lösungen. Kältemittel sollten möglichst weder brennbar noch giftig oder korrosiv sein.

Darüber hinaus sind folgende grundsätzliche Eigenschaften gefragt:

Gute Mischbarkeit mit Öl

Thermische und chemische Stabilität

Hohe Kälte- und Wärmeleistung bei geringem Energieaufwand

Günstiges Druckverhältnis

Niedrige Verdichtungsendtemperatur

Gutes Preis-Leistungs-Verhältnis

Gute Verträglichkeit mit den in der Kältetechnik üblich eingesetzten Materialien

Besonders wichtig ist außerdem die Umweltverträglichkeit: Zahlreiche nationale und internationale Gesetze, Richtlinien und Verordnungen haben bereits in den vergangenen Jahren einen weitreichenden Veränderungsprozess eingeleitet, der Produktauswahl und -einsatz entscheidend beeinflusst. Die Verwendung von Kältemitteln mit Ozonschicht zerstörenden Eigenschaften (ODP = Ozon Depletion Potential) ist verboten. Andere Kältemittel, die bei der Freisetzung in die Atmosphäre hochgradig zum Treibhauseffekt der Erde beitragen, werden stark reglementiert und einige ganz vom Markt genommen.

Passend zur Anlage: Bemessungsgrundlagen

Die Auswahl des richtigen Kältemittels richtet sich nach der Anwendung und dem Anlagentyp.

Zu den Bemessungsgrundlagen für die konkrete Bewertung zählen:

Eignung für den erforderlichen Temperaturbereich

Passende thermodynamische Eigenschaften wie Siedeverhalten und spezifische Wärmekapazität

Geeignete Drucklagen

Kompatibilität mit Maschinen und sonstigen verwendeten Materialien

Verfügbarkeit passender Maschinenöle

Verfügbarkeit geeigneter Verbindungstechniken

Hohe Wirtschaftlichkeit

Nachhaltige Einhaltung der gültigen Gesetze und Richtlinien (möglichst geringes Gefahrenpotenzial)

Die Lebensdauer einer Kälte-, Klima- oder Wärmepumpenanlage ist hoch und erreicht oft mehrere Jahrzehnte. Während dieser Zeit beeinflusst das eingesetzte Kältemittel ganz wesentlich den Energieverbrauch: Eine hohe Kältemittel-Effizienz führt zu erheblichen Kosteneinsparungen.

Die eventuell etwas höhere Investition amortisiert sich in kürzester Zeit. Darüber hinaus sind Umweltaspekte und die damit verbundenen gesetzlichen Auflagen zu beachten: Eine auf Nachhaltigkeit ausgelegte Kältemittel-Auswahl macht aufwändige Umrüstungen überflüssig. Zudem umgehen Sie juristische Fallstricke.

Temperaturbereiche

Anwendungsbezogen müssen Kältemittel für verschiedene Temperaturbereiche geeignet sein. Die daraus resultierenden Verdampfungstemperaturen führen zu unterschiedlichen Verdampfungsdrücken, die während des Anlagenbetriebs nicht unter Atmosphärendruck liegen sollten.

Schon bei kleinsten Undichtigkeiten könnten sonst Luft und Feuchtigkeit in den Kältekreislauf eindringen. Generell gilt: Je geringer der Verdampfungsdruck ist, umso niedriger fällt die volumetrische Kälteleistung aus. Entsprechend groß sollte demzufolge der Kompressor dimensioniert sein, um die geforderten Kälteleistungen erzielen zu können.

Ein niedriger Verdampfungsdruck führt allerdings auch zu einem niedrigen Verflüssigungsdruck. Das erhöht die Anlagensicherheit und verringert den erforderlichen Grad der Druckabsicherung. Es erlaubt die Verwendung geringerer Wandstärken bei Rohren und Behältern, vermindert das Risiko von Undichtigkeiten und führt eventuell sogar zu einer niedrigeren Einstufung nach Druckgeräterichtlinie und Betriebssicherheitsverordnung.

Reduktion der zugelassenen CO2-Äquivalente

Das richtige Kältemittel für die jeweilige Anwendung zu finden wird durch die neuen europäischen Regelungen, allen voran die Verordnung (EU) 517/2014, deutlich erschwert.

Der Schwerpunkt dieser Verordnung ist die schrittweise Reduktion der zugelassenen CO2-Äquivalente [in Form von teilhalogenierten fluorierten Treibhausgasen (H-FKW)] bis zum Jahr 2030.

Als Gleichung dargestellt: Tonnen CO2-Äquivalente = Masse H-FKW x GWP*

(*GWP = Global Warming Potential = direkter Einfluss auf den Treibhauseffekt bei Freisetzung in die Atmosphäre)

Für die Kältemittelbranche bestehen demnach zwei Möglichkeiten: entweder die Menge der H-FKW-Kältemittel oder den GWP der eingesetzten Kältemittel zu reduzieren.

Die Reduktion der H-FKW-Kältemittel kann durch intelligente technische Lösungen, z. B. kompakte und dauerhaft dichte Systeme, erreicht werden oder durch den Einsatz von Kältemitteln, welche nicht als H-FKW in der Gleichung auftreten, z. B. natürliche Kältemittel oder Hydrofluorolefine (HFO).

Zur Reduzierung der GWP-Werte bieten die Hersteller der Branche verschiedene Lösungen an. Dabei sollte die Möglichkeit, Kältemittel in bestehenden Systemen zu ersetzen, erhalten bleiben.

Sinkende GWP-Werte: Bestehende Kältemittel sinnvoll ersetzen

Bild 3 stellt einen Vergleich der CO2-Äquivalente bezogen auf die gleichen Mengen dar.

Dies entspricht einer Reduktion der CO2-Äquivalente um etwa 64 %.

Ähnlich verhält es sich bei dem Ersatz von R-134a durch z.B. R-450A oder R-513A. Ersetzt man die gleiche Mende R-134a durch eines der aufgeführten Kältemittel, reduziert sich das CO2-Äquivalent um etwa 56 %.

Brennbarkeit der zukünftigen Kältemittel nimmt zu

Das erkennbare Problem für die Zukunft ist folgendes: Mit sinkenden GWP-Werten nimmt die Brennbarkeit der einzelnen Kältemittel zu. Für die Kältefachbetriebe bedeutet dies, dass in Ausschreibungen, Angeboten, Betriebsanleitungen etc. die Risiken beim Einsatz bestimmter Kältemittel um den Aspekt der Brennbarkeit bei den vielen Anwendungen und unterschiedlichen Aufstellungsbedingungen erweitert werden müssen. Die Dynamik bei der Entwicklung und Einführung neuer synthetischer Kältemittel ist zurzeit sehr groß. Dies führt allerdings nicht zu mehr Übersichtlichkeit. Die folgenden Tabellen orientieren sich an den in der Vergangenheit und teilweise auch noch heute eingesetzten Kältemitteln und vor allem an deren vorrangigen Anwendungen (Die GWP-Werte in den Tabellen beziehen sich auf den 4. IPCC-Bericht). Der Ersatz eines Kältemittels in bestehenden Anlagen beschränkt sich dabei allerdings auf dieselbe Sicherheitsklasse. Vor allem sollten vor dem Einsatz die Freigaben durch die Verdichter- und Komponentenhersteller geprüft werden.

Weitere Infos

Sie haben weitere Fragen zur Anwendung von Kältemitteln oder zu anderen Produkten und deren Anwendungsgebieten? Die Experten für Kältemittel der Westfalen AG können weiterhelfen: www.westfalen.com, info@westfalen.com)

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