Kältemittel werden nach ihrer chemischen Zusammensetzung in Gruppen eingeteilt. Nachdem festgestellt wurde, dass einige dieser chemischen Verbindungen umweltschädlich sein können, werden sie durch umweltfreundlichere Alternativen ersetzt (siehe Abbildung 5.2). Der Prozess ist nicht einfach, und obwohl es Alternativen zu alten Kältemitteln gibt, sind die neuen normalerweise nicht einwandfrei.

Im folgenden Abschnitt werden verschiedene Gruppen von Kältemitteln diskutiert, einige Beispiele gegeben und ihre Anwendungsgebiete beschrieben.

FCKW = Fluorchlorkohlenwasserstoffe

Fluorchlorkohlenwasserstoffe sind Kältemittel, die Chlor enthalten. Sie sind seit Anfang der 90er Jahre wegen ihrer negativen Umweltauswirkungen verboten. Beispiele für FCKW sind R11, R12 und R115. Die Umstellung von Geräten und Systemen auf FCKW ist noch nicht abgeschlossen. Im Gegenteil, der illegale Markt für diese Art von Kältemitteln floriert weltweit, und es wird geschätzt, dass nicht mehr als 50% der FCKW-Systeme weltweit aufgerüstet wurden.

HFCKW = Teilhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe

Der langsame Ausstieg aus FCKW zeigt, dass dies ein kostspieliger Prozess ist. Vor allem aber zeigt es auch die Probleme und Unentschlossenheit im Zusammenhang mit der Verfügbarkeit von H-FCKW, die offiziell als vorübergehender (bis 2030) Ersatz für FCKW angegeben wurden. Die übereilten Maßnahmen der Europäischen Union, die im Verbot von H-FCKW gipfelten, sofort für die Kältetechnik und bald (spätestens 2004) für die Klimatisierung, haben die Programme und Pläne der Branche durcheinander gebracht.

Die HFCKW enthalten weniger Chlor als FCKW, was einen niedrigeren ODP bedeutet (siehe Abschnitt 5.3). Beispiele für teilhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe sind R22, R123 und R124 (siehe Abbildung 5.3).

HFC = Fluorkohlenwasserstoffe

Bei den Fluorkohlenwasserstoffen handelt es sich um Kältemittel, die kein Chlor enthalten und die Ozonschicht nicht schädigen (ODP = 0, siehe Abschnitt 5.3). Ihre Auswirkungen auf die globale Erwärmung sind jedoch im Vergleich zu herkömmlichen Kältemitteln sehr groß. Die gebräuchlichsten HFKW-Kältemittel, die seit dem Verbot von HFCKW verfügbar sind, sind in Tabelle 5.1 dargestellt (siehe auch Abbildung 5.4):

Tabelle 5.1 Die gebräuchlichsten Kältemittel unter halogenierten Kohlenwasserstoffen.

Einige Anmerkungen zu den in der Tabelle aufgeführten Kältemitteln sind nachstehend aufgeführt:

• R32 und R125 werden selten als einzelne Kältemittel verwendet, sondern nur in Gemischen mit besonders günstigen thermodynamischen Eigenschaften.
• R245c und R245fa werden fast ausschließlich in den USA und eher experimentell eingesetzt.
• R404A wurde als Alternative zu R502 für Kühl- und Gefriergeräte entwickelt.
• R134a war das erste HFC, das mit großem Erfolg in der Kälte- und Klimatechnik eingeführt wurde, da es fast keine Änderungen an der für R22 ausgelegten Ausrüstung erfordert. Es bietet jedoch einen sehr begrenzten Wirkungsgrad, der etwa 40% niedriger ist als der mit R22 erzielte. Folglich hat der Hersteller zwei Möglichkeiten: entweder eine erhebliche Verringerung der Wärmekapazität in einem bestimmten System zu akzeptieren oder seine Abmessungen (und Kosten) zu erhöhen, um die gleiche Kapazität zu erreichen. Aus diesem Grund wird R134a hauptsächlich in großen Systemen (über 250 kW) eingesetzt, die sich die höheren Kosten leisten können.
• R407C ist wie R134a thermodynamisch R22 ähnlich und arbeitet als „Drop-In“ -Kältemittel. Im Gegensatz zu R134a, einer reinen Verbindung, hat R407C jedoch eine Viskosität von 7 K, wodurch es in kleinen Haushaltsgeräten kaum verwendet werden kann. Es gibt zwei Gründe, eine solche Einschränkung zu rechtfertigen: Wohngeräte unterliegen häufiger plötzlichen versehentlichen Verlusten als andere Geräte und werden normalerweise vor Ort gewartet. Im Falle einer plötzlichen Leckage kann ein 7K-Gleiten zu Änderungen der Anteile des Gemisches führen, da die relativen Verluste seiner flüchtigsten Komponenten unverhältnismäßig hoch sind. Wenn eine Standardnachfüllung verwendet wird, kann nicht garantiert werden, dass das neue Kältemittelgemisch die gleichen Anteile wie vor der Leckage aufweist. Aufgrund seiner hohen Effizienz wird dieses Kältemittel nur in Systemen mittlerer Leistung (50-250 kW) eingesetzt, die in der Regel von Fachpersonal gewartet werden.
• R410A hat sehr attraktive thermodynamische Eigenschaften, eine höhere Energieeffizienz als R22, kein Gleiten und somit kein Problem mit dem nach dem Ladungsverlust und Nachfüllen verbleibenden Gemisch. Es hat jedoch einen Betriebsdruck, der fast doppelt so hoch ist wie der von R22, und erfordert daher eine Neugestaltung des gesamten Systems mit größeren Kompressoren, Expansionsventilen usw.
• R507A wird erfolgreich in der industriellen und gewerblichen Kältetechnik eingesetzt.
• R508B wird weniger häufig in Niedertemperaturzyklen verwendet. R507A und R508B haben günstige thermodynamische Eigenschaften und keine Probleme mit Temperaturgleiten, da sie azeotrope Gemische sind.

FC = Fluorkohlenwasserstoffe

Fluorkohlenwasserstoffe (Abbildung 5.5) enthalten kein Chlor und sind nicht schädlich für die Ozonschicht. Sie sind jedoch extrem stabil und haben ein hohes GWP (vgl. abschnitt 5.3). R218 ist ein Beispiel für einen Fluorkohlenstoff, und FCs sind auch in den Mischungen R403 und R408 vorhanden.

HC = Kohlenwasserstoffe

Kohlenwasserstoffe sind eine sehr begrenzte Lösung für die mit Kältemitteln verbundenen Umweltprobleme. Sie sind unschädlich für die Ozonschicht (ODP = 0) und haben kaum direkten Treibhauseffekt (GWP<5), sind aber leicht entflammbar. Die Verwendung von HCS als Kältemittel ist auf Europa beschränkt, da viele andere Länder die Verwendung von brennbarem Gas in Anwesenheit der Öffentlichkeit verboten haben. Nach den Normen ISO 55149 und EN 378.2000 sollte dies auch in Europa gelten. Die Norm IEC 355.2.20 erlaubt jedoch die Verwendung von HCs in Haushaltskühlschränken mit Kältemittelfüllungen bis zu 150 g.

Diese Norm hat einigen europäischen Kühlschrankherstellern den Weg für die Herstellung von Haushaltskühlschränken mit brennbarem Isobuten R600a geebnet.

Diese wurden von Umweltschützern begeistert angenommen und haben große Erfolge auf dem Markt erzielt.

NH3 = Ammoniak

Ammoniak, R717, ist eine attraktive Kältemittelalternative. Es wird seit 1840 in Kälteanlagen und seit 1860 in der Dampfkompression eingesetzt. In Bezug auf seine Eigenschaften sollte es als hochwertiges Kältemittel angesehen werden. Außerdem, sein ODP und GWP sind 0. Obwohl es sich um ein selbstalarmierendes Gas handelt, d. H. Leckagen können leicht am Geruch erkannt werden, ist Ammoniak bereits in geringen Konzentrationen sehr gefährlich, da der Geruch häufig Panik auslöst. Dies ist der Hauptgrund, warum Ammoniak aus Anwendungen zur Verwendung durch ungelernte Personen zurückgezogen und nur für industrielle Anwendungen beibehalten wurde.

Es ist auch in der gewerblichen Kältetechnik weit verbreitet, obwohl die Sicherheitsvorschriften verlangen, dass es mit einem sekundären Verteilungskreislauf verwendet wird. Offensichtlich verringert diese Sekundärschleife die Effizienz.

CO2 = Kohlendioxid

R744, Kohlendioxid, hat mehrere attraktive Eigenschaften: nicht brennbar, verursacht keinen Ozonabbau, sehr niedrigen Toxizitätsindex (Sicherheit A1), in großen Mengen erhältlich und kostengünstig. Es hat jedoch auch einen geringen Wirkungsgrad und einen hohen Betriebsdruck (ungefähr 10-mal höher als R134a). Aus den beiden letztgenannten Gründen sind Anstrengungen erforderlich, um den Kältekreislauf und die damit verbundene Technologie, insbesondere Wärmetauscher und Expansionsvorrichtungen, zu verbessern. Eine wichtige bevorstehende CO2-Anwendung scheint die Klimatisierung in der Automobilindustrie zu sein. Wärmepumpen könnten aufgrund der höheren Temperatur, die auch bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen erzielt werden kann, auch von CO2 profitieren.

Übersichtstabelle

Tabelle 5.2 Übersichtstabelle der verschiedenen Kältemitteltypen.

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