Anwendung von alternativen Kältemitteln aus Sicht eines Verdichterherstellers Besonderheiten, Anforderungen

Anwendung von alternativen Kältemitteln aus Sicht eines Verdichterherstellers Besonderheiten, Anforderungen Hermann Renz, Bitzer Kühlmaschinenbau GmbH Sindelfingen 1. Einführung Stratosphärischer Ozonabbau sowie atmosphärischer Treibhauseffekt durch Kältemittel-Emissionen führten während der letzten 10 Jahre zu einschneidenden Veränderungen in der Kälte- und Klimatechnik. Inzwischen werden in gewerblichen Neuanlagen überwiegend chlorfreie HFKW-Kältemittel verwendet, in der industriellen Kältetechnik in erster Linie NH 3. Diese Substitute ersetzen in weiten Bereichen HFCKW R22, das über Jahrzehnte eine herausragende Stellung in der Branche einnahm und auch in der Übergangsphase zu HFKWs bei Standardanwendungen als erste Wahl galt. Dieses Kältemittel wird deshalb in den nachfolgenden Vergleichen als Referenz angesetzt. Bereits während der Einführung von HFKW-Kältemitteln standen sie wegen ihres direkten Treibhauspotentials im Fokus. Forderungen von Umweltverbänden nach Einsatz natürlicher Kältemittel wurden laut und haben teilweise schon ihren Niederschlag in nationalen Klimaschutzprogrammen gefunden. Bei näherer Betrachtung der verfügbaren Alternativen zeigt sich allerdings, dass diese Forderung auch längerfristig nicht pauschal umgesetzt werden kann. Dies wird offensichtlich beim Vergleich der verschiedenen Kältemittel-Gruppen hinsichtlich thermodynamischer Eigenschaften, Energieeffizienz, Anforderungen an Komponenten und Schmierstoffe sowie Sicherheitsaspekten. Die folgenden Ausführungen umfassen eine vergleichende Betrachtung der verschiedenen Kältemittelgruppen mit dem Versuch einer neutralen Bewertung aus Sicht eines Verdichterherstellers. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden in erster Linie stationäre Anwendungen in den klassischen Anwendungsbereichen und nur Kreisprozesse mit unterkritischer Betriebsweise bewertet. Außerdem sind weniger oder nur regional bekannte Kältemittel nicht berücksichtigt. 2. Alternativ-Kältemittel allgemeine Bewertung der Anwendungsbereiche Für die Substitution von FCKW und HFCKW-Kältemitteln wurden in erster Linie Alternativen entwickelt, die in ihren thermodynamischen Eigenschaften und Sicherheitsanforderungen den zuvor verwendeten Stoffen möglichst nahe kamen. Anpassungen der Komponenten, Schmierstoffe und Systeme konnten damit auf ein vertretbares Maß beschränkt bleiben. 2.1 HFKW-Kältemittel Als besonders günstig in dieser Hinsicht erwiesen sich die HFKWs, deren Palette an nicht-brennbaren Einstoff-Kältemitteln jedoch stark eingeschränkt ist. Deshalb wurde Als Vortrag gehalten anlässlich der KK-Fachtagung 2003 in Bingen

2 eine Reihe von zeotropen und azeotropen Gemischen entwickelt, um die geforderten Eigenschaften zu erreichen. Bereits seit mehreren Jahren sind dafür auch geeignete Komponenten und Schmierstoffe verfügbar. In vielen Anwendungen, insbesondere im Bereich der gewerblichen Kälte- und Klimatechnik, liegen gute Erfahrungen über einen langen Zeitraum vor. 2.2 Kohlenwasserstoffe Günstige Voraussetzungen aus Sicht der thermodynamischen Eigenschaften und wegen des vernachlässigbaren direkten Treibhauspotentials bieten ebenfalls die Kohlenwasserstoffe. Deren wesentliches Manko liegt jedoch in der leichten Entflammbarkeit und den daraus resultierenden Sicherheitsanforderungen bzw. Beschränkungen in der Kältemittelfüllmenge. Sie werden deshalb überwiegend nur im Bereich der Haushaltsgeräte und in Systemen der petrochemischen Industrie (Ausführung in Ex-Schutz) eingesetzt. 2.3 Ammoniak (NH 3 ) Überzeugend hinsichtlich Thermodynamik und direktem Treibhauspotential ist bekanntlich Ammoniak (NH 3 ), das aber wegen seiner toxischen Eigenschaften ebenfalls strengen Sicherheitsansprüchen unterliegt. Die bei üblichem Wassergehalt korrosive Wirkung von NH 3 auf Kupferwerkstoffe führt außerdem zu Einschränkungen in der Materialauswahl. In Verbindung mit der hohen elektrischen Leitfähigkeit erschwert dies u.a. auch die Entwicklung von halbhermetischen Motorverdichtern. Schwerpunkt der Anwendung liegt deshalb im Bereich der industriellen Kältetechnik, bei der die Gewichtung der Eigenschaften und Anforderungen anders zu bewerten ist als beispielweise in gewerblichen Anlagen. 2.4 Kohlendioxid (CO 2 ) Dieses natürliche Kältemittel rückt durch die Thematisierung direkter Emissionen in die engere Wahl der Alternativen. Das Treibhauspotential hat den Basiswert GWP=1 und ist damit vernachlässigbar, CO 2 ist nicht brennbar, chemisch inaktiv und erst bei hohen Konzentrationen gesundheitsschädlich. Hinzu kommt eine 5- bis 8-fach höhere volumetrische Kälteleistung im Vergleich zu R22 und NH 3 also das ideale Kältemittel? Dagegen stehen jedoch die extrem hohen Drucklagen und eine niedrige kritische Temperatur von nur 31 C (74 bar). Als Folge ergeben sich für übliche Anwendungsbereiche relativ ungünstige thermodynamische Eigenschaften und eine geringere Energie-Effizienz als bei den zuvor beschriebenen Substanzen. Relativ günstig aus energetischer Sicht sowie hinsichtlich Drucklagen, Dimensionierung von Verdichtern, Wärmeaustauschern und Rohrnetz ist jedoch der unterkritische Betrieb. CO 2 kommt dabei in zunehmendem Maße in industriellen Kälteanlagen und größeren gewerblichen Einheiten (z.b. Supermarkt) zum Einsatz entweder in Kaskaden für Tieftemperatursysteme oder als Sekundärfluid.

3 HFKW Kältemittel Halogenfreie Kältemittel Haushaltsgeräte R134a R600a Gewerbliche Kälteanlagen Industrielle Kälteanlagen R134a R404A R507A R134a R404A R507A R290 R1270 CO 2 NH 3 CO 2 KWs (petrochemische Systeme) Wärmepumpen R134a R407C R410A R290 NH 3 Fett gedruckte Kältemittel werden vorzugsweise eingesetzt Unterkritische Anwendung in Kaskadensystemen und als Sekundär-Fluid Erprobungsphase Abb. 1 Anwendungsbereiche derzeit verwendeter Alternativ-Kältemittel 3. Kältemitteleigenschaften Bewertung und resultierende Anforderungen Für eine qualifizierte Bewertung der einzelnen Kältemittel ist bereits ein Vergleich der wichtigsten thermodynamischen Eigenschaften aufschlussreich. Neben dem zu erwartenden Leistungsverhalten lässt sich der günstigste Anwendungsbereich beurteilen, aber auch eine Einschätzung über Liefer- und Gütegradverlauf verschiedener Verdichterbauarten vornehmen. Darüber hinaus ist eine Beurteilung möglich, ob und mit welchem Kältemittel ein innerer Wärmeaustauscher und/oder Flüssigkeitsunterkühlung durch sog. Economiser- Betrieb (Potential bei n- und Scroll-Verdichtern) von Vorteil sind. Im Folgenden werden die wichtigsten Parameter unter Berücksichtigung von Testergebnissen bewertet und die resultierenden Anforderungen aufgezeigt. Wegen der spezifischen Eigenschaften von CO 2 wird dieses Kältemittel in einem gesonderten Abschnitt (5.) behandelt. 3.1 Relativer Vergleich der Verdichter-Kälteleistung Die in Abb. 2 dargestellten Leistungsvergleiche bei Referenzpunkten für Klima-, Normal- und Tiefkühlung* (entsprechend EN 12900) zeigen eine besonders große Bandbreite zwischen den in Frage kommenden Kältemitteln. Bei HFKWs rangiert R134a am unteren Ende der Skala, wobei aber für den Betrieb von nverdichtern mit Economiser ein deutlicher Anstieg erkennbar wird. R600a (Isobutan) liegt sogar noch wesentlich unterhalb von R134a und ist deshalb in erster Linie für Anwendungen mit geringer Kälteleistung (Haushaltsgeräte) vorteilhaft. Die niedrige volumetrische Kälteleistung erfordert ein relativ großes Verdichterhubvolumen, das in diesem Leistungssegment noch zusätzliches Potential für einen verbesserten Verdichter-Gütegrad bietet.

4 Eine relativ ähnliche Kälteleistung (Bandbreite ca. 10 bis +15%) wie R22 weisen R404A, R507A, R290, R1270 und NH 3 auf. Mit Economiser kann bei nverdichtern noch eine weitere Steigerung erzielt werden, wie dies am Beispiel von NH 3 + ECO (Abb. 2) verdeutlicht wird. Bei R404A und R507A wäre die Leistungserhöhung durch Economiser auf Grund der hohen Unterkühlungsenthalpie noch wesentlich deutlicher ausgeprägt. R410A zeigt mit Abstand die höchsten Leistungswerte, die aber mit einer bis zu 60% höheren Drucklage einher gehen. Die gravierenden Unterschiede in der Kälteleistung resultieren hauptsächlich aus der Stoff spezifischen volumetrischen Kälteleistung, sind aber auch durch das Liefergradverhalten des Verdichters bestimmt. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass Lieferund Gütegrad nicht nur von Druckverhältnis und Drucklage, sondern in Abhängigkeit von Verdichterbauart und Kältemittel auch von einer Reihe Kältemittel relevanter Faktoren bestimmt wird. Im Grundsatz können die Unterschiede in der spezifischen Kälteleistung durch Anpassung des Verdichter-Fördervolumens angeglichen werden, wobei allerdings höhere Drucklagen des Kältemittels auch Auswirkungen auf die konstruktive Ausführung haben können. * Bei Tiefkühlung sind nur Kältemittel berücksichtigt, die in diesem Bereich in größerem Umfang zum Einsatz kommen. 160 Relative Verdichter-Kälteleistung [%] 140 120 100 80 60 40 20 to +5 C, tc 50 C to -10 C, tc 45 C to -35 C, tc 40 C EN 12900 / t oh 20 C / *NH 3 t oh 5 K 0 R22 R134a R134a + ECO R407C (Taupkt.) R404A R507A R410A R290 R600a R1270 NH3* NH3* + ECO Verdichterbauarten: HFKW & KW vs. R22 Halbhermetik-Hubkolben () NH 3 vs. R22 Offener nverdichter Abb. 2 Relativer Vergleich der Verdichter-Kälteleistung

5 3.2 Relativer Vergleich der Verdichter-Leistungszahl (COP) Im Gegensatz zur Kälteleistung unterscheiden sich die Leistungszahlen der in diesem Vergleich betrachteten Kältemittel (Abb. 3) nur relativ wenig. Erkennbar sind dennoch einige etwas größere Abweichungen: So erreichen nverdichter mit R134a und Economiser im Bereich Klima- und Normalkühlung sehr hohe Werte. Gründe für diese vorteilhafte Charakteristik sind die niedrige Druckdifferenz (HD/ND), das günstige thermische Verhalten bei der Verdichtung und der thermodynamisch vorteilhafte Unterkühlungskreislauf. Dies erklärt auch den weltweiten Trend zur Entwicklung von Flüssigkeits-Kühlsätzen auf Basis dieser Technologie (Abb. 4). Besonders günstige COP-Werte sind auch bei NH 3 mit Economiser festzustellen. Dies trifft auch auf R404A und R507A bei Tiefkühlung zu, deren Ergebnisse aber aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht im Diagramm dargestellt sind. Anderseits zeigt sich mit R404A und R507A bei Klimabetrieb und höherer Verflüssigungstemperatur eine relativ niedrige Leistungszahl. Bereits bei theoretischer Betrachtung fällt ein deutlich höherer spezifischer Leistungsbedarf gegenüber den anderen Alternativen auf, der durch zusätzliche Druckverluste im Verdichter in Folge höheren Massenstroms in realen Anwendungen noch ungünstiger ausfallen kann. Diese Kältemittel sind deshalb für Klimaanwendungen aus energetischer Sicht weniger geeignet. 160 Relative Verdichter-Leistungszahl COP [%] 140 120 100 80 60 40 20 to +5 C, tc 50 C to -10 C, tc 45 C to -35 C, tc 40 C EN 12900 / t oh 20 C / *NH 3 t oh 5 K 0 R22 R134a R134a + ECO R407C (Taupkt.) R404A R507A R410A R290 R600a R1270 NH3* NH3* + ECO Verdichterbauarten: HFKW & KW vs. R22 Halbhermetik-Hubkolben () NH 3 vs. R22 Offener nverdichter Abb. 3 Relativer Vergleich der Verdichter-Leistungszahl (COP)

6 Auch R410A liegt bei höheren Verflüssigungstemperaturen etwas ungünstiger, was u.a. auf die niedrige kritische Temperatur zurückzuführen ist. Wegen der vergleichsweise hohen Wärmeübertragungs-Koeffizienten und geringen Druckabfälle von R410A in Verdampfern und Verflüssigern, sind aber trotzdem sehr günstige System- Wirkungsgrade zu erreichen. ECO ECO h Standard h mit ECO h 1 h 2 h3 Abb. 4 Flüssigkeits-Kühlsatz mit nverdichter und Economiser-System Für eine vergleichende Bewertung real erreichbarer Leistungszahlen im System sind in erster Linie die tatsächlichen Betriebsbedingungen und das dynamische Verhalten maßgebend. Im Falle indirekter Systeme, z.b. auf Grund besonderer Sicherheitsanforderungen, sind zusätzliche Übertragungsverluste zu berücksichtigen, die sich gravierend auswirken können. Die Verdichter-Leistungszahl verändert sich durch 1 K Differenz in der Verdampfungstemperatur bereits um 2 bis 2.5%, in der Verflüssigungstemperatur sogar um bis zu 3%. 3.3 Kältemittel-Massenstrom Ähnlich der Kälteleistung zeigen sich auch beim Massenstrom extreme Unterschiede (Abb. 5). Bezogen auf eine definierte Kälteleistung liegen R134a, R407C und R410A nahezu auf einer Linie mit R22. Die Kältemittel R404A und R507A nehmen mit 35 bis 50% höheren Werten eine vollkommen andere Kategorie ein. Dies trifft ebenfalls auf die Kohlenwasserstoffe zu, die allerdings deutlich geringere Massenströme aufweisen und insbesondere auf NH 3 mit nur 14 bis 17% im Vergleich zur Referenz. In den meisten Fällen ist ein niedriger Massenstrom von Vorteil, er ermöglicht geringe Strömungsquerschnitte und minimalen Druckabfall. Dies führt besonders bei höheren Saugdrücken zu günstigen Verhältnissen beim Ladungswechsel der Verdichter-Arbeitsventile, außerdem zu geringen Druckverlusten und damit zu hohen Gütegraden. Geringe Druckverluste wirken sich aber ebenso positiv in Rohrleitungen und Wärmeaustauschern aus.

7 160 140 to +5 C, tc 50 C to -10 C, tc 45 C to -35 C, tc 40 C EN 12900 / t oh 20 C / *NH 3 t oh 5 K 120 Relativer Massenstrom [%] 100 80 60 40 20 0 R22 R134a R407C R404A R507A R410A R290 R600a R1270 NH3* Abb. 5 Relativer Vergleich der Kältemittel-Massenströme Umgekehrt hat ein hoher Massenstrom Beispiel R404A und R507A bei tiefen Verdampfungstemperaturen tendenziell positive Auswirkungen. Durch eine bei niedrigen Drücken noch relativ hohe Dampfdichte sind die Öffnungskräfte für die Arbeitsventile recht günstig. Bei den genannten Kältemitteln kommen außerdem eine hohe Überhitzungsenthalpie und niedrige Druckgastemperatur (Abb. 6) begünstigend hinzu. Diese Eigenschaften bewirken eine geringe Aufheizung des Sauggases und reduzierten Wärmeaustausch im Verdichter. Ebenso wird die Ölrückführung aus kalten Anlagenteilen durch höheren Massenstrom bzw. Dampfdichte positiv beeinflusst. 3.4 Druckgastemperaturen Auch hier sind deutliche Unterschiede zwischen den einzelnen Kältemitteln (Abb. 6) festzustellen. Relativ moderate Temperaturen ergeben sich für R134a, R404A, R507A und die Kohlenwasserstoffe. Dies ermöglicht einen relativ großen Anwendungsbereich bei einstufigem Betrieb. Bei kleinen Druckverhältnissen und geringer Sauggasüberhitzung können sich allerdings auch Nachteile durch niedrige Öltemperaturen mit der Folge hoher Kältemittelanreicherung im Öl ergeben. Wegen der äußerst hohen Kältemittellöslichkeit ist dies bei Kohlenwasserstoffen besonders kritisch. Verbesserte Verhältnisse können durch höhere Sauggastemperatur (Öltemperatur) erreicht werden. Hierfür ist ggf. ein innerer Wärmeaustauscher erforderlich, der bei den oben erwähnten Kältemitteln thermodynamisch bedingt ebenfalls zu einem verbesserten Systemwirkungsgrad führen kann. Ähnlich wie R22 liegen R407C und R410A, deren typischer Einsatzbereich aber vorzugsweise bei höheren Verdampfungstemperaturen liegt. Insofern sind eventuelle

8 Maßnahmen zur Zusatzkühlung nur bei sehr hohen Verflüssigungstemperaturen erforderlich. 260 Druckgastemperatur [ C] 240 220 200 180 160 140 120 100 80 to +5 C, tc 50 C to -10 C, tc 45 C to -35 C, tc 40 C außerhalb Einsatzgrenze t oh 20 C / *NH 3 t oh 5 K Gütegrad: HFKWs + KWs 0.7 (Halbhermetik) NH 3 0.8 (Offener Verdichter) außerhalb Einsatzgrenze 60 40 20 0 R22 R 134a R 407C R404A / R507A R 410A R 290 R 600a R 1270 NH3* Abb. 6 Vergleich der Druckgastemperaturen bei einstufigem Betrieb Völlig abgehoben ist das Temperaturniveau bei NH 3. Dies ist wesentlich bedingt durch das geringe Molekulargewicht bzw. die geringe Enthalpie in der Dampfphase. Selbst bei niedriger Sauggasüberhitzung und moderaten Verflüssigungstemperaturen ist einstufiger Betrieb bei Hubkolbenverdichtern auf Klima- und Normalkühlung beschränkt. Tiefkühlung ist thermisch nur 2-stufig zu beherrschen. Besonders günstige Voraussetzungen bieten nverdichter, die durch Ölkühlung auch hohe Druckverhältnisse einstufig bewältigen können. Mit Blick auf die Leistungszahl ist dann allerdings ein Economiser-System von Vorteil (Abb. 3). 4. Weitere Bewertungs- und Auslegungskriterien Als weitere Kriterien zur Auslegung von Verdichtern und anderer Systemkomponenten kommen noch eine Reihe zusätzlicher Merkmale und Anforderungen in Betracht. Hierzu gehören die jeweils Kältemittel spezifischen Drucklagen sowie Anforderungen an die Schmieröle und die Verträglichkeit von Werkstoffen. Des Weiteren sind Sicherheitsaspekte zu berücksichtigen, wie sie sich aus Brennbarkeit, Toxizität oder extremen Druckbelastungen ergeben können. Aus Gründen des erheblichen Informationsumfangs wird die Thematik der Schmieröle und Werkstoffe in diesem Beitrag nicht detailliert behandelt. Entsprechende Informationen sind in weiteren Veröffentlichungen [1] [2] zu finden.

9 Die Kältemittel-Drucklagen sind in gewisser Weise ein Spiegelbild der volumetrischen Kälteleistung. R600a weist die mit Abstand niedrigsten Werte auf, abgesehen von CO 2 liegt R410A am oberen Ende der Skala mit bis zu 60% höheren Drücken im Vergleich zu R22. Mit Blick auf die in EN378-2 definierten Konstruktionstemperaturen und die Anforderungen der Sicherheitsnorm für Verdichter (pr)en12693, ergeben sich für R410A und teilweise auch für R404A und R507A Auslegungsdrücke, die weit über den bisher für Kreislaufkomponenten üblichen Werten liegen. Abgesehen davon hat die erhöhte Druckbelastung auch wesentliche Auswirkungen auf Triebwerks- und Motorauslegung sowie tribotechnische Eigenschaften der Öle. Besondere Ansprüche stellt auch die Druckgeräte-Richtlinie 97/23/EC (PED) sowohl an Komponenten als auch an die gesamte Baugruppe bzw. deren Ausführung. Obwohl offene und halbhermetische Verdichter bei entsprechender Konstruktion und Bewertung durch eine benannte Stelle vom Anwendungsbereich der PED ausgenommen sind (Artikel 1 3.10), gelten dennoch für alle Druck beaufschlagten Zubehörkomponenten, Rohre und Rohrverbindungen die betreffenden Anforderungen. Hermetische Verdichter unterliegen generell der PED ab einer Klassifizierung in Kategorie II bis einschließlich Kategorie I kommt die Niederspannungs-Richtlinie 93/68/EEC zur Anwendung. Beim Zubehör sind allerdings Bauteile der Kategorie I ebenfalls betroffen. Unter dieser Maßgabe ist dann die verwendete Fluid-Gruppe (Kältemittel) von entscheidender Bedeutung für die Definition der Kategorie und damit für die Konstruktion sowie Auslegung der Komponenten und das Qualitätsmanagement. Zumindest im Leistungssegment der gewerblichen Kälte- und Klimatechnik führt dies für Bauteile zum Einsatz der Fluid-Gruppe I (Kohlenwasserstoffe und NH 3 ) generell zur Einstufung in eine höhere Kategorie. Die resultierenden Anforderungen können deshalb bei derzeit am Markt verfügbaren Komponenten vielfach nicht erfüllt werden. Signifikante Änderungen in Konstruktion, Materialen und Fertigungsprozess wären notwendig. Kältemittel Zulässiger Druck bis ca. [bar] Praktischer Grenzwert nach EN 378 [kg/m 3 ] Fluid- Gruppe nach PED Untere Volumengrenze gemäß PED [dm 3 ] Kat. I Kat. II Rohr- gemäß PED (Kat. I) Anforderg. ATEX 100a HFKWs (R410A) 28 (40) 0.25... 0.44 2 1.78 (1.25) 7.14 (5.0) > DN 32 Kohlenwasserstoffe 28 0.008 1 0.89 1.78 > DN 25 Kat. 3G NH 3 28 0.00035 1 0.89 1.78 > DN 25 CO 2 40 0.07 2 1.25 5.0 > DN 32 Abb. 7 Kältemittel-Drucklagen und resultierende Anforderungen

10 Ab Juni 2003 wird ebenfalls die Ex-Schutzrichtlinie 94/9/EG (ATEX 100a) gesetzlich bindend, wodurch beim Einsatz brennbarer Kältemittel (Kohlenwasserstoffe) verschärfte Anforderungen gegenüber bisheriger Praxis gelten. Bei seltener und kurzzeitiger Gefährdung, nach deren Grundsätzen die Anwendung von Kohlenwasserstoffen als Kältemittel eingestuft werden kann (Kategorie 3G), ist künftig ein entsprechendes Konformitätsverfahren mit CE-Kennzeichnung zwingend. Die Anforderungen betreffen nicht nur elektrische Bauteile, sondern auch den mechanischen Teil im Hinblick auf heiße Flächen, elektrostatische Entladung sowie mechanische Reibund Schlagfunken. Damit ist eine ausschließliche Orientierung an DIN7003 und EN378 nicht mehr ausreichend. Konsequenzen ergeben sich für die betroffenen Komponenten des Kältekreislaufs, wie z.b. den Verdichter, aber auch hinsichtlich Ausführung und Installation der Anlage selbst. Inwieweit die zusätzlichen Auflagen in der Praxis umgesetzt werden können, ist jeweils individuell zu klären. Es ist jedoch zu erwarten, dass damit weitere Einschränkungen verbunden sind. 5. Kohlendioxid (CO 2 ) ein besonderer Stoff mit spezifischen Anforderungen Wie bereits unter Abschnitt 2 erläutert, nimmt CO 2 bei Kältemitteln eine Sonderstellung ein. Dies gilt insbesondere hinsichtlich volumetrischer Kälteleistung, Drucklagen und kritischer Temperatur. Bei den nachfolgenden Ausführungen wird ausschließlich der Bereich unterkritischer Anwendungen betrachtet, d.h. Kaskadeneinsatz für Tieftemperatursysteme. 1000 900 R22 / to -35 C, tc -10 C CO2 / to -35 C, tc -10 C 800 Vergleich CO 2 zu R22 [%] 700 600 500 400 300 200 100 0 R22 Referenz Kälte- Leistung COP Saug- Druck Hoch- Druck Massenstrom Abb. 8 Vergleich von CO 2 und R22 bei unterkritischen Bedingungen Bezogen auf die in Abb. 8 definierten Referenzbedingungen (to 35 / tc 10 C) liegt die Verdichter-Kälteleistung beim 6.5-fachen im Vergleich zu R22. Anders ausgedrückt, das Verdichter-Fördervolumen kann um dieses Verhältnis kleiner gewählt

werden. Die Leistungszahl (COP) und damit der Leistungsbedarf sind bei entsprechender Verdichteranpassung nahezu identisch. Die Drucklagen sind bei diesen Bedingungen sogar 7.4- bzw. 9-fach höher. Interessant ist in diesem Zusammenhang, dass der Hochdruck weniger stark ansteigt als der Saugdruck. Damit ist das Druckverhältnis gegenüber R22 (und den anderen zum Vergleich herangezogenen Kältemitteln) deutlich geringer. Der Massenstrom ist mit ca. 77% im Vergleich zu R22 relativ günstig und ermöglicht geringe Querschnitte und niedrige Strömungsverluste. Die Druckgastemperatur (nicht dargestellt) liegt bei CO 2 deutlich höher als bei R22 und damit auch gegenüber den HFKWs und Kohlenwasserstoffen. Allerdings sind durch die niedrigen Druckverhältnisse bei unterkritischem Betrieb keine thermischen Probleme zu erwarten und deshalb auch keine spezifischen Anforderungen zu berücksichtigen. Die teilweise signifikanten Unterschiede zu konventionellen Kältemitteln erfordern dennoch bei Verdichtern und Kreislaufkomponenten eine spezifische Anpassung [2]. Beim Verdichter betrifft dies in erster Linie das Triebwerk sowie Arbeitsventile und Motorzuordnung. Gleichfalls ist die Druckfestigkeit, aber auch die Absicherung gegen Drucküberschreitung eine wesentliche Anforderung. Im Gegensatz zu anderen Kältemitteln kann es bei abgeschalteter und nicht ausreichend gesicherter Anlage zu einem Druckanstieg bis ca. 74 bar (31 C) auch auf der Saugseite kommen. Üblicherweise sind die Komponenten aber dafür nicht ausgelegt. Dadurch kommt den Sicherheitseinrichtungen eine besondere Bedeutung zu, dies gilt gleichermaßen für die Druckgeräte-Richtlinie (PED). 6. Zusammenfassung Die vorliegende Bewertung belegt eindeutig, dass keines der zum Vergleich gewählten Kältemittel alle Anforderungen in den verschiedenen Anwendungsbereichen zufriedenstellend erfüllen kann. Dies ist bedingt durch wesentliche Unterschiede in thermodynamischen Eigenschaften, Kälteleistung, Wirtschaftlichkeit (COP), Einsatzgrenzen und Sicherheitsanforderungen. Es ist deshalb auch nicht zulässig, Erfahrungen mit Kältemitteln bei bestimmten Anwendungen direkt auf andere Bereiche zu übertragen. Aus Gründen geringer Sicherheitsansprüche, hoher Wirtschaftlichkeit und dem geringen Beitrag zum indirekten Treibhauseffekt sind HFKWs in weiten Bereichen, besonders in der gewerblichen Kälte- und Klimatechnik, auch künftig unverzichtbar. Natürliche Kältemittel, wie Kohlenwasserstoffe, NH 3 und CO 2 eignen sich besonders bei Anwendungen, in denen ihre spezifischen Eigenschaften vorteilhaft zum Tragen kommen und Sicherheitsanforderungen entweder gering sind oder keine wirklich nachteiligen Konsequenzen haben. Gute Perspektiven bieten dabei auch die noch in der Entwicklung stehenden Kaskadensysteme mit CO 2 als Kältemittel. Literaturhinweise: [1] Bitzer: Kältemittel Report A-500 [2] H. Renz: Halbhermetische Hubkolben- und nverdichter für CO 2 -Kaskadensysteme KI 09 / 2000 Als Vortrag gehalten anlässlich der KK-Fachtagung 2003 in Bingen