Temperaturgleit Teil 1: Grundlagen und praktische Regeln im Umgang mit zeotropen Kältemittelgemischen

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1 Konzentrationsverschiebung zeotrope Kältemittelgemische Leckagen Eigenschaften von Kältemitteln In der aktuellen Zeit besteht immer noch ein Vorbehalt gegenüber zeotropen Kältemittelgemischen die über einen verfügen; Grund hierfür ist die assoziierte Konzentrationsverschiebung die durch Leckagen und den inkorrekten Umgang mit dem Kältemittel auftretenkann. Um dieser Unsicherheit entgegenzuwirken sind im Folgenden die physikalisch-chemischen Prinzipien der unterschiedlichen Verdampfungsprozesse von azeotropen und zeotropen Kältemittel anschaulich erklärt. Weiterhin wird diskutiert worauf beim praktischen Umgang mit zeotropen Kältemitteln geachtet werden muss und welche sicherheitsrelevanten Aspekte wirklich von Bedeutung sind. Principles and practical rules for handling zeotropic refrigerant mixtures temperature glide concentration shift zeotropic refrigerant mixtures leaks refrigerant properties Reservations still subsist today regarding zeotropic refrigerant mixtures which have a certain temperature glide. The reason for this is generally the associated concentration shift which can occur due to leaks and improper handling of the refrigerant. Aiming to dispel this uncertainty, the physico-chemical principles underlying the various evaporation processes of azeotropic and zeotropic refrigerants are described below. Factors which must be borne in mind when handling zeotropic refrigerants and those safety aspects which are really of practical significance are also discussed. Autor Dr. Nicolas Dietl Technisches Marketing Opteon Kältemittel, Chemours (Deutschland) GmbH Teil 1: Grundlagen und praktische Regeln im Umgang mit zeotropen Kältemittelgemischen Einleitung Seit ihrer Einführung in den Markt herrscht im Bereich der zeotropen Kältemittelgemische eine allgemeine Unsicherheit im Umgang mit ihrem oft stärker ausgeprägtem und der daraus resultierenden Angst vor Leckage-bedingten Konzentrationsverschiebungen und Leistungsverminderungen in Kälte- und Klimaanlagen. Getrieben von politischen Entscheidungen über Kältemittel mit möglichst niedrigem Treibhauspotenzial (GWP: Global Warming Potential), sind diese Gemische aber der Schlüssel für eine langfristige Lösung der kältetechnischen Herausforderungen unserer Zeit, nämlich den wirtschaftlichen, umweltfreundlichen und effizienten Einsatz unserer Ressourcen. Diese Thematik greift dieser Artikel auf, um der teilweise vorhandenen Unsicherheit in der Branche entgegenzuwirken und eine solide Basis im Umgang mit (zeotropen) Kältemittelgemischen zu geben. Hierbei wird möglichst anschaulich ohne die mathematischen Herleitungen zu vertiefen auf die thermodynamisch relevanten Eigenschaften und den praktischen Umgang mit diesen Gemischen eingegangen und auf die daraus resultierenden Sicherheitsprobleme hingewiesen. Zeotrope Kältemittelgemische und ihre Eigenschaften Kältemittelgemische werden oft in zwei Klassen unterteilt: die azeotropen und die zeotropen (Letztere werden oft auch als nicht-azeotrope Kältemittel bezeichnet). Azeotrope Gemische sind laut Definition nicht mehr durch Destillation zu trennen (daher auch der Wortursprung aus dem Griechischen: a = nicht, zeo = siedend und tropos = Änderung ), das heißt, sie haben zu jedem Zeitpunkt die gleiche Zusammensetzung in der Gas- und der Flüssigphase (Abb. 1, links). Dadurch ähneln sie in ihren kältetechnisch relevanten Eigenschaften stark den Einkomponenten-Kältemitteln. An dieser Stelle soll jedoch erwähnt sein, dass Azeotropie nur bei einer genauen Zusammensetzung vorliegt und von den äußeren Parametern wie Druck und Temperatur abhängt. Mit anderen Worten: Nur weil ein Kältemittel bei der Befüllung einer Anlage azeotrop vorliegt, heißt das nicht automatisch, dass auch während des gesamten Kältekreislaufes diese Eigenschaft beibehalten wird; vielmehr kann es auch hier an bestimmten Stellen im Kältemittelkreislauf zu zeotropem Verhalten kommen. Ein Beispiel hierfür wäre R-507A, welches nur bei -40 C tatsächlich azeotrop vorliegt; unter abweichenden Bedingungen liegt auch bei diesen Kältemitteln ein wenn auch sehr schwach ausgeprägter vor. Zeotropes Verhalten zeichnet sich im Gegensatz zu azetropem dadurch aus, dass die gemischten Komponenten sich durch (fraktionierte) Destillation trennen lassen können. In so einer Mischung liegen in der Regel zwei Stoffe mit unterschiedlichen Siedepunkten vor, von denen die flüchtigere Verbindung leichter verdampft und sich in der Gasphase anreichert. Dies führt bei einem Phasenübergang (Sieden oder Kondensieren) zu einer unterschiedlichen Konzentration der beiden Komponenten in Gas und Flüssigkeit (Abb. 1, rechts). Wie genau sich die Konzentration in der jeweiligen Phase zusammensetzt, lässt sich am besten schematisch an Hand eines Phasendiagramms (flüssiggasförmig) der entsprechenden Mischung darstellen. In Abbildung 2 ist ein solches Diagramm für eine Mischung mit azeotropem Punkt (a) und eine rein zeotrope Mischung (b) dargestellt (bei konstantem Druck). Die x-achse stellt dabei die Zusammensetzung des Kältemittels (also die relative Verteilung der jeweiligen Einzelkomponente A und B bzw. Konzentration oder auch Molenbruch genannt) dar, während die y-achse die Temperatur widerspiegelt; der Schnittpunkt an den jeweiligen y-achsen entspricht demnach den Siedepunkten der Reinstoffe A und B 1. Der flüssige und der 31

2 1 Vereinfachte Gegenüberstellung von azeotropem Verhalten (links) und zeotropem Verhalten (rechts) beim Verdampfen einer Mischung aus zwei Reinstoffen. Im Falle des zeotropen Verhaltens ist die gelbe Komponente leichter flüchtig (hat also den tieferen Siedepunkt) und ist zu Beginn der Verdampfung stärker in der Gasphase angereichert. gasförmige Bereich im Diagramm sind von einem Zweiphasengebiet (blaue Fläche) getrennt, in dem über einen gewissen Temperaturgradienten sowohl Flüssigkeit als auch Gas im jeweiligen System vorliegen. Die entsprechenden Grenzlinien nennt man Siedekurve (zur Flüssigphase) und Kondensations-/Taukurve (zur Dampfphase). Zieht man also für eine bestimmte Zusammensetzung (im Beispiel 70 % A und 30 % B) auf der x-achse eine vertikale Linie nach oben (orangene Linie; Abb. 2, Abschnitt a), so ergibt die Differenz zwischen den Schnittpunkten mit der Kondensationsund Siedekurve den für das entsprechende Kältemittelgemisch. Wie sich die einzelnen Phasen im Gleichgewicht zusammensetzen, kann an dem Beispiel der zeotropen Mischung (Abb. 2, Abschnitt b) gezeigt werden: Liegt die entsprechende Mischung (z. B. eine 50/50-Mischung aus den Einzelstoffen A und B) bei einer beliebigen Temperatur T1 im Zweiphasengebiet (roter Kreis, Abb. 2), so haben Gas- und Flüssigphase unterschiedliche Konzentrationen der Einzelkomponenten. Der Schnittpunkt der Isotherme mit der Siedekurve entspricht (auf der x-achse) der Zusammensetzung der flüssigen Phase, während der Schnittpunkt der Isotherme mit der Kondensationskurve der Zusammensetzung der Gasphase entspricht. Diese Abweichung ist aber durch die Breite des Zweiphasengebietes klar begrenzt und es kann nicht zu einer vollständigen Trennung der Komponenten kommen. Mit anderen Worten: Wird also bei der Verdampfung einer Flüssigkeit das 2-Phasengebiet vertikal durchlaufen, kann für jeden Punkt die Zusammensetzung der jeweiligen Phasen durch die entsprechenden Schnittpunkte der Isothermen mit der Siede- und Kondensationskurve definiert werden. Beim Austritt aus dem Zweiphasengebiet hat das Gas dann wieder die ursprüngliche Zusammensetzung der Flüssigkeit. Demzufolge ist die Abweichung am größten entweder direkt am Siedepunkt für die Gasphase bzw. direkt am Taupunkt für die Flüssigphase. Wie exakt diese Werte ausfallen können, kann am Beispiel von R-407C oder R-410A veranschaulicht werden. Bei Ersterem handelt es sich um eine Mischung aus drei Komponenten: Difluormethan R-32 (23 m.-%), Pentafluorethan R-125 (25 m.-%) und 1,1,1,2-Tetrafluorethan R-134a (52 m.-%), welches einen der am stärksten ausgeprägten s aller kommerziell-verfügbaren Kältemittel besitzt. 410A besteht nur aus den zwei Komponenten Difluormethan R-32 (50 m.-%) und Pentafluorethan R-125 (50 m.-%) und weist im Vergleich zu 407C und anderen Gemischen einen nahezu vernachlässigbaren auf. Beide werden hauptsächlich im Klima- und Wärmepumpenbereich eingesetzt. Wählt man den Druck nun beispielsweise so, dass der Siedepunkt 10 C ist, so resultiert das in einem von 5,9 K für R-407C bzw. 0,1 K für R-410A [1]. Gleichzeitig entspricht dies dann einer maximalen Konzentrationsverschiebung (also direkt am Siedepunkt) von 1 Als anschauliches Beispiel könnte man hier die Mischung von A = R-124 und B = R-22 betrachten. Demzufolge entspräche der Wert auf der linken y-achse dem Siedepunkt von R-124 (-12 C) und der Wert auf der rechten y- Achse dem Siedepunkt von R-22 (-40,9 C). 14 % für R-407C bzw. 2,7 % für R-410A [1]. Die realen Werte sind also deutlich kleiner, als in der schematischen Darstellung in Abb. 2. Folgende wichtige Erkenntnisse kann man aus dieser einfachen Betrachtungsweise ziehen: 1. Die Konzentrationsverschiebung in Dampf und Flüssigkeit kann nur in einem begrenzten Rahmen stattfinden, das heißt, es kann niemals nur eine Komponente verdampfen oder kondensieren. Vielmehr liegen in beiden Phasen auch immer beide (bzw. alle beteiligten) Komponenten vor. 2. Die Abweichung von der ursprünglichen Konzentration hat ihr Maximum für die Gasphase direkt am Siedepunkt und für die flüssige Phase direkt am Taupunkt; größere Konzentrationsabweichungen in einem geschlossenem System sind de facto nicht möglich. Die daraus resultierende Konsequenzen im praktischen Umgang werden in einem späteren Abschnitt behandelt. Was dieses zeotrope Verhalten beim Phasenübergang nun für den Kältemittelkreislauf bedeutet, lässt sich im Mollier (Druck-Enthalpie) -Diagramm in Abbildung 3 ganz gut erkennen. Der offensichtlichste und entscheidende Unterschied im Vergleich zu azeotropen oder Einkomponenten-Kältemitteln liegt hier im Erscheinungsbild der Isothermen. Diese verlaufen nicht mehr parallel zur x-achse (Enthalpie) oder den Isobaren, sondern fallen im Bereich des Zweiphasengebietes leicht ab. Diese Abweichung ist das Resultat aus dem eben beschriebenen, veränderten Siede-/Kondensationsverhalten zeotroper Mischungen. Startet man ausgehend von Abbildung 3 mit der Expansion des Kältemittels in den Niederdruckbereich (1), hat zu Beginn des Verdampfungsprozesses die Temperatur des Kältemittels den Wert T1. Im Verlaufe des Siedeprozesses (2) kommt es jedoch zu einem Gleit und die Temperatur des Kältemittels steigt bis zum Verlassen des Verdampfers auf den Wert T2. Als Verdampfungstemperatur wird der Mittelwert von T1 und T2 angegeben. Der umgekehrte Sachverhalt gilt nun für die andere Hälfte des Kreislaufs. Nach dem Kompressor (3) wird das Gemisch im Hochdruckbereich bis auf den Wert von T4 erhitzt, bevor es in den Kondensator gelangt und sich via auf den Wert T3 abkühlt und vollständig verflüssigt (4). So lange dieser Kreislauf Leckage-frei abläuft, ergeben sich für den praktischen Umgang 32

3 erst einmal keine besonderen Umstände. Es müssen jedoch einige prinzipielle Punkte bei der Auslegung der Komponenten berücksichtigt werden: 1. Beim Einregeln einer Kälteanlage ist es wichtig, die richtigen Werte der Dampfdruckkurve zu verwenden. Für die Überhitzung nach dem Verdampfer muss der Temperaturwert des gesättigten Dampfes an genau diesem Punkt gemessen werden. Er entspricht in Abbildung 3 dem Taupunkt B. Würde man den Kontrollwert an einer früheren Stelle des Verdampfers messen, so ergäbe sich fälschlicherweise eine größere Differenz zur Überhitzung und die eigentlich logische Reduzierung der Überhitzungstemperatur könnte zu Verdichterschäden durch unvollständig verdampftes bzw. flüssiges Kältemittel führen (Flüssigkeitsschläge). Konsequenterweise muss auch für die Unterkühlung nach dem Verflüssiger der Wert für die gesättigte Flüssigkeit am korrekten Punkt (Abbildung 3; Siedepunkt A) gemessen werden, um Fehlfunktionen zu verhindern. 2. Im Bereich der Tieftemperaturanwendung muss die variierende Frostbildung am Verdampfer berücksichtigt werden. Während bei einem Kältemittel ohne die Frostschicht relativ gleichmäßig ausfallen wird, kommt es bei einem Kältemittel mit Gleit zu einer stärkeren Ausbildung der Eisbildung zu Beginn des Verdampfers. 3. Ein kann auch von Vorteil sein und eine höhere Energieeffizienz ergeben. Voraussetzung dafür sind entsprechend ausgelegte Wärmeübertrager (z. B. Kreuzgegenstrom). 4. Für manche spezielle Anwendungen sollte die Verwendung von Kältemittel mit sorgfältig geprüft werden. Ein Beispiel wären Anlagen mit überflutetem Verdampfer, da sich hier die stark ausgeprägte Konzentrationsverschiebung im Verdampfer direkt auf den zirkulierenden Massenstrom auswirkt und die angesaugte Kältemittelzusammensetzung von der Originalzusammensetzung abweicht. Weitaus interessanter ist nun der Fall, dass der Kältemittelkreislauf undicht ist und es durch Defekte in der Anlage oder den wartungstechnischen Wechsel zum Austritt des Kältemittels kommt. Mit diesen Szenarien und den daraus resultierenden Konsequenzen beschäftigt sich das nächste Kapitel und geht genauer auf die praktischen Regeln im Umgang mit zeotropen Kältemitteln ein. Zeotrope Kältemittel und das Problem der Konzentrationsverschiebung Die falsche Handhabung zeotroper Kältemittelgemische kann die Leistung einer Anlage negativ beeinflussen. Dies geschieht in der Regel, indem durch Leckage-bedingtes Austreten des Kältemittels oder dessen inkorrekte Befüllung sich die Konzentration der jeweiligen Einzelkomponenten im System im Vergleich zur ursprünglichen Formulierung verändert: Man spricht dann von einer sogenannten Konzentrationsverschiebung. Deshalb ist es wichtig, ein paar Grundregeln beim Umgang mit diesen Kältemitteln zu berücksichtigen, um von Beginn an einen effizienten Betrieb der Anlage zu gewährleisten. Bedingt durch den Dampfdruck des Kältemittels und das geschlossene System sind in einem nur teilweise gefüllten Gebinde/Behälter immer zwei Phasen vorhanden. Es liegt also neben der flüssigen auch stets eine gasförmige Phase vor. Wie zuvor erläutert, hat bei zeotropen Gemischen diese Dampfphase aber durch die unterschiedlichen Dampfdrücke der Einzelstoffe eine abweichende Zusammensetzung zum ursprünglichen Kältemittel und sollte daher nicht zum Befüllen der Kälteanlage verwendet werden. Gleichzeitig ist die Dichte der Gasphase aber so gering, dass sie die Zusammensetzung der flüssigen Phase nicht signifikant verfälscht 2. Demzufolge sollte die Anlage ausschließlich mit der Flüssigkeit befüllt werden, um die korrekte Zusammensetzung im Kältekreislauf zu garantieren. Sobald der Gasraum im Gebinde zu stark zunimmt, ist diese Annahme jedoch nicht mehr gültig; bei der Befüllung von Kleingeräten gilt als Faustregel deshalb, dass etwa ein Zehntel des Kältemittels im Gebinde verbleiben sollte, da bei weiterer Entnahme von Kältemittel auch die korrekte Zusammensetzung der flüssigen Phase nicht mehr gewährleistet ist. Diese Punkte werden jedoch hinfällig, wenn der Behälter komplett dem Kältekreislauf zugegeben wird, da in diesem Fall Konzentrationsschwankungen im Dampf oder in der Flüssigkeit 2 Beispielsweise macht in einem Container der je zur Hälfte (Volumen) mit Flüssigkeit und Gas gefüllt ist, die flüssige Phase immer noch je nach Kältemittel um die 95 % der Gesamtfüllung (Masse) aus. 2 Schematisches Phasendiagramm für eine vollständig zeotrope Mischung (A) und eine Mischung mit azeotropem Punkt (B) bei konstantem Druck 33

4 3 Schematisches Mollier (p-h-) Diagramm für eine zeotrope Mischung mit durch die vollständige Befüllung wieder ausgeglichen werden. Etwas komplizierter ist die Betrachtung des Falls, der durch das Auftreten einer Leckage entsteht; hier kann gerade bei längerfristigem Gasaustritt eine relevante Konzentrationsverschiebung im System auftreten. Man muss aber zwischen den verschiedenen möglichen Szenarien einer auftretenden Leckage unterscheiden, da nur die wenigsten auch eine relevante Konzentrationsverschiebung verursachen können. Eine Konzentrationsverschiebung kann nur dann auftreten, wenn erstens ein Zweiphasengemisch vorliegt, und zweitens nur eine der beiden Phasen aus dem System austritt bzw. eine Phase deutlich vermehrt als die andere. Als Beispiel hierfür können die Wärmetauscher oder Sammler genannt werden. Im Bereich des Kompressors liegt dagegen beispielsweise nur ein Gas vor und eine Leckage hätte keinerlei Auswirkungen auf die Zusammensetzung des verbleibenden Kältemittels. Auch im Abschnitt vor dem Expansionsventil würde durch das Vorliegen der reinen flüssigen Phase eine Leckage keine Veränderung der Zusammensetzung bewirken. Für die verbleibenden Elemente hat sich nun gezeigt, dass bei stationären Anwendungen Wärmetauscher in der Regel mit Helium sorgfältig geprüft werden und entsprechend dicht sind. Eine Leckage ist an dieser Stelle also tendenziell unwahrscheinlich. Als kritischere Bereiche verbleiben das Expansionsventil und der folgende Abschnitt bis zum Verdampfer. Hier ist das Auftreten einer Konzentrationsverschiebung bei einer Leckage am wahrscheinlichsten. Nichtsdestotrotz haben erweiterte Untersuchungen gezeigt, dass Leckagen im laufenden Betrieb weniger gravierende Auswirkungen haben als generell angenommen [1, 2]. Tatsächlich liegen in einem laufenden Kältekreislauf durch die starken Druck- und Temperaturschwankungen turbulente Strömungsverhältnisse vor. Dies hat zur Folge, dass bei einer Leckage am Expansionsventil oder in einem der Wärmetauscher nie nur die eine Phase austritt, sondern immer sowohl Dampf als auch Flüssigkeit 3. So kann in den meisten Fällen nach der Reparatur der Leckage das ausgetretene Kältemittel einfach mit frischem ersetzt werden, statt das komplette Kältemittel im System auszutauschen. Anders verhält sich die Situation aber bei einer ruhenden Kälte-oder Klimaanlage. Hier liegen keine Turbulenzen mehr vor und eine Leckage führt in der Regel dazu, dass vermehrt nur eine der Phasenkomponenten austritt und nun doch eine Verschiebung der Gemisch-Zusammensetzung auftritt. Wie drastisch so eine Leckage und die damit einhergehende Konzentrationsverschiebung ausfallen kann, hängt wie schon gesagt stark von der Menge an ausgetretenem Kältemittel ab. Um ein Gefühl für diese Mengen zu vermitteln, sind im Folgenden wieder einige Beispielrechnungen für 3 Durch den Expansionseffekt wird natürlich auch Flüssigkeit bei einer kleinen Leckage als Dampf austreten. Dieser hat jedoch die Zusammensetzung der ursprünglich flüssigen Phase im System und wird daher im Folgendem weiter als Flüssigkeit bezeichnet. das bereits weiter oben erwähnte Kältemittel R-407C dargestellt, das mit seinem stärker ausgeprägten Gleit als eines der extremsten Beispiele angesehen werden kann. Die maximal erlaubte Abweichung der einzelnen Komponenten um der Spezifikation von R-407C noch zu entsprechen beträgt ±2 Prozent. Wie viel Kältemittel muss also austreten, damit das in der Anlage verbleibende Mittel von diesen festgelegten Spezifikationen abweicht und demnach nicht mehr als R-407C bezeichnet werden dürfte bzw. nicht mehr die thermodynamischen Anforderungen erfüllt? Als Beispiel wird hier einmal der Wert für folgendes Szenario angeben. Rechnungen wurden mit REFLEAK Version 4.0 durchgeführt, unter Verwendung der LJ4 Lemmon & Jacobsen Modells [3]. Aus einem kleinen Leck (langsamer Austritt, isothermer Prozess) tritt ausschließlich die Dampfphase aus der Kälteanlage aus. Dabei soll die Temperatur 0 C und das Anfangsvolumen der Dampfphase im geschlossenen System 20 % betragen. Wie in dem Kurvenverlauf in Abbildung 4 zu erkennen, treten mit dem Kältemitteldampf verstärkt die leichter flüchtigen Komponenten R-125 und R-32 aus und als Konsequenz kommt es sowohl in der flüssigen als auch in der Gasphase im System zur Anreicherung von R-134a. Da die Steigungen der entsprechenden Kurven von R-134a (blaue Linien) größer sind als die von R-32 (rote Linien) und R-125 (grüne Linien), ergibt sich daraus, dass diese Komponente als erstes den Toleranzwert von 2 % überschreiten wird. Tatsächlich ergibt sich aus der Analyse der Datenpunkte, dass etwa ein Zehntel des Kältemitteldampfes austreten muss, bevor der verbleibende Anteil an R-134a im System die 2-%-Grenze von 54 % überschreitet und nicht mehr die Spezifikationen von R-407C erfüllt. Bis zu diesem Zeitpunkt und auch darüber hinaus ist eine Beeinträchtigung der Kälteleistung praktisch nicht messbar und das ausgetretene Kältemittel kann durch einfaches Nachfüllen der Originalmischung ersetzt werden. Hierbei handelt es sich aber um das sogenannte Worstcase -Szenario, denn tritt hingegen Flüssigkeit unter diesen Bedingungen aus, entspricht sogar bei über 90 % ausgetretenem Kältemittel die Spezifikation der verbleibenden Flüssigkeit im System immer noch der von R-407C. Vielmehr kann so eine reine Gasleckage wie oben beschrieben nur bei ruhenden Anlagen auftreten. Bei laufendem Betrieb werden 34

5 immer beide Phasen austreten und somit der tatsächliche Wert deutlich höher als die berechneten 10 % liegen. Bei Kältemitteln mit geringerem von etwa 4-5 Kelvin, wie etwa R- 407A oder das neue HFO-Kältemittel Opteon XP40 (R449A), können bei dem oben beschriebenen Worst-case -Szenario sogar mehr Kältemittel als Dampf austreten, ohne dass dadurch eine relevante Änderung der Zusammensetzung bzw. eine praktisch-messbare Verminderung der Kälteleistung auftritt. Es kann also im alltäglichen Betrieb in der Regel einfach aufgefüllt werden, ohne die Sicherheit und Effizienz der Kälteanlage zu kompromittieren. Zusammenfassend kann man festhalten, dass sehr hohe Leckagemengen und ganz bestimmte Vorrausetzungen nötig sind, um eine leistungs- und sicherheitsrelevante Konzentrationsverschiebung zu verursachen. Das Risiko für das Auftreten einer solchen Leckage kann jedoch in Anbetracht der immer moderneren Kälte-, Klima- und Wärmepumpenanlagen und bei ordnungsgemäßer Wartung der Anlage und Einhaltung der neusten EU-Richtlinien zur Leckage-Prüfung auf ein absolutes Minimum reduziert werden. Weitere sicherheitsrelevante Aspekte Durch die höheren Ansprüche an Kältemittel bei der Reduzierung des CO 2 -Ausstoßes und der jüngst ausgearbeiteten F-Gase-Verordnung (EU) 517/2014[4] bei bestenfalls gleichbleibender Effizienz werden in naher Zukunft immer mehr Kältemittel auf den Markt kommen, die der ASHRAE-Klassifizierung A2L entsprechen: Beispiele sind das bereits häufig in Mischung eingesetzte Kältemittel R-32 oder die Klasse der neuen HFOs (engl.: Hydrofluoroolefins) wie etwa R-1234yf oder R-1234ze. Diese Kältemittel sind zwar weiterhin ungiftig (Klasse A), sind jedoch nicht als unbrennbar (Klasse 1) eingestuft, sondern als schwer entflammbar (2L). Diese Entflammbarkeit ist jedoch so schwach ausgeprägt, dass entsprechende Kältemittel trotzdem für zahlreiche Anwendungen validiert sind und in Zukunft sicher eingesetzt werden können. Einige Unsicherheit besteht aber bei neuen Kältemittelgemischen (mit ), die eine solche A2L-klassifzierte Substanz beinhalten, selber jedoch als A1 eingestuft sind. Hier steht oft die Befürchtung im Raum, dass durch eine eventuelle Leckage und die damit mögli- 4 Berechneter Konzentrationsverlauf der Einzelkomponenten in der flüssigen (fl) und der Gasphase (g) bei einer Gasleckage in einer mit R-407C betriebenen Kältemittelanlage cherweise auftretende Konzentrationsverschiebung, die Zusammensetzung sich so stark verändern könnte, dass aus einem nicht-brennbaren (A1) auf einmal ein schwer entflammbares Gemisch (A2L) werden kann und dieses für die entsprechende Anlage plötzlich ein höheres Sicherheitsrisiko darstellen würde. Diese Ängste sind jedoch unbegründet! Bei der Prüfung und Klassifizierung durch die ASHRAE-Kommission werden auch solche Extremfälle überprüft und in der Sicherheitsbewertung berücksichtigt. Demzufolge kann sich ein als A1 gekennzeichnetes Kältemittel auch durch eine extreme Konzentrationsverschiebung nicht zu einem A2L Kältemittel umwandeln. Tatsächlich ist die leichter zu entzündende Komponente meist auch die leichter flüchtige Komponente, das heißt, in der Regel nimmt die Entflammbarkeit bei einer Leckage-induzierten Konzentrationsverschiebung tendenziell eher ab. Fazit Die Eigenschaften von zeotropen Kältemittelgemischen und die resultierenden Konsequenzen für den praktischen Umgang in der Kältetechnik sind mittlerweile gut verstanden. Daher ist der teilweise noch bestehende Vorbehalt gegenüber Kältemittelgemischen mit einem in den meisten Anwendungsfällen absolut unbegründet. Unter der Berücksichtigung einiger einfacher Richtlinien im Umgang mit diesen Mitteln stehen diese ihren azeotropen Äquivalenten in Sachen Sicherheit, Effizienz und Nachhaltigkeit in nichts nach. Dazu gehören ein paar zu berücksichtigende Punkte bei der Auslegung des Kältemittelkreislaufes, die korrekte Befüllung und die ordnungsgemäße Wartung der Anlage. Außerdem wird die Gefahr durch eine Leckage-bedingte Konzentrationsverschiebung immer noch überschätzt, denn es sind extreme Umstände bzw. fahrlässiges Verhalten notwendig, damit ein messbarer Effekt auftritt. In Anbetracht der zahlreichen Herausforderungen für die Kältetechnikbranche bieten diese Kältemittel vielmehr eine sinnvolle und notwendige Alternative, um die ambitionierten Ziele der Gesetzgeber im Bereich der Energie- und Umweltschonung zu realisieren. Im zweiten Teil, welcher in der November-Ausgabe erscheint, wird Michael Freiherr die Auswirkungen des s auf Verflüssiger und Verdampfer näher beleuchten und einen praxisgerechten Lösungsansatz für die korrekte Auslegung von Wärmeübertragern vorstellen. Literatur [1] Morley, J. R. : Refrigerant Blends for Air Conditioning: Causes and effects of Composition Shifts and Temperature Glide. DuPont Research Paper, 2004 [2] Lavelle, J.: Refrigerant Blends: Part one Part three, RSES (Refrigeration Service Engineers Society) Journal 2006 (Jan Mar) [3] Didion, D., Kim, M., Domanski, P. A.: NIST Standard Reference Database 73 REFLEAK: NIST Leak/Recharge Simulation Model for Refrigerant Mixtures, Version 4.0, National Institute of Standards and Technology, Standard Reference Data Program. Gaithersburg, 2012 [4] Verordnung (EU) Nr. 517/2014 des Europäischen Parlaments und des Rates, vom 16. April 2014 über fluorierte Treibhausgase und zur Aufhebung der Verordnung (EG) Nr. 842/2006 (Stand ) 35