Natürliche Kältemittel
Natürliche Kältemittel gibt es viele. Die bekanntesten setzen sich aus den Elementen Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff zusammen, verursachen geringe Umweltauswirkungen und verfügen über gute thermodynamische Eigenschaften. Im Vergleich zu synthetischen Kältemitteln, wie beispielsweise dem bekannten R134a, verfügen sie aber auch über Besonderheiten, die bei der Produktentwicklung speziell zu berücksichtigen sind. Eine Übersicht.
Ammoniak (R717)
Ammoniak (R717) hat zwar ausgezeichnete thermodynamische Eigenschaften, ist aber aufgrund seiner Giftigkeit und Aggressivität gegenüber Buntmetallen weder «panic-safe», noch geeignet für eine kosteneffiziente Geräteentwicklung. In unserem Tätigkeitsbereich mit Leistungen <5 kW ist dieses Kältemittel aktuell nicht relevant.
Kohlendioxid CO 2 (R744)
Der Stoff Kohlendioxid CO 2 (R744) ist heute auch dem Endverbraucher bekannt, etwa durch Haushaltsgeräte, die Leitungswasser mit Kohlendioxid versetzen. Als Kältemittel hat der Stoff zwei Besonderheiten: In gängigen Kühlanwendungen entstehen relativ hohe Systemdrücke (siehe Vergleichstabelle), denen alle Komponenten standhalten müssen. Zudem findet die Wärmeabgabe meist überkritisch statt, was wiederum eine Auslegung mit speziellen Einrichtungen bedingt. Die Verwendung von CO 2 ist oft ein Thema in der Konzeptphase, scheitert aber meist an der Verfügbarkeit von Komponenten für den kleinen Leistungsbereich oder weil das Gerät schlichtweg zu gross und zu schwer würde.
Kohlenwasserstoffe
Für Kühlanwendungen bis ca. –20 °C stehen sich in der Regel zwei Kältemittel gegenüber: Die Kohlenwasserstoffe Isobutan (R600a) und Propan (R290). Solche Stoffe sind in der Gesellschaft allgegenwärtig, Butan als Campinggas tragen wir in unseren Rucksäcken herum, den Grill befeuern wir mit Propan. Die Auswahl für das Kältemittel muss sorgfältig erfolgen: Isobutan benötigt einen ca. dreifach grösseren Kompressorhubraum, um die identische Kälteleistung eines Propan-Kreislaufs zu erzielen.
Grundsätzlich lassen sich mit Propan die kompakteren Systeme bauen. Diese müssen aber einem höheren Druck standhalten und mit mehr Sicherheitseinrichtungen ausgestattet sein, was einen höheren Aufwand für die Entwicklung und Zulassung mit sich zieht.
Für ULT-Anwendungen bis -100°C haben sich die beiden Kältemittel Ethylen (R1150) und Ethan (R170) etabliert.
Drei Kältemittel im Quervergleich *
| Exemplarischer Arbeitspunkt | Isobutan R600a | Propan R290 | Kohlendioxid R744 |
|---|---|---|---|
| Druck bei 45°C | 604 kPa | 1534 kPa | eingeschränkt wählbar 9000 kPa |
| Druck bei -25°C | 58 kPa | 203 kPa | 1683 kPa |
| Druckverhältnis π | 10.4 | 7.54 | 5.35 |
| Volumetrische Effizienz aufgrund π (Modell: 0.94 – 0.035∙π) | 58% | 68% | 75% |
| Kälteleistung bei 10 cm3 Hubraum des Kompressors (∆Tsh = ∆Tsc = 0 K) | 103 W | 350 W | 765 W (Gaskühleraustritt = 45°C) |
| Brennbar | Ja | Ja | Nein |
| Herstell-/Entwicklungskosten | Tief | Mittel | Hoch |
| Effizienz | Mittel | Gut | Gut |
| Leistungsgewicht | Tief | Mittel | Mittel |
Gewusst wie: Mit Druck können wir umgehen
Auf den ersten Blick abschreckend bei den Kohlenwasserstoffen ist deren Brennbarkeit. Doch die Industrie kann damit umgehen – und wir auch. Denn die Kühleinheit ist eine hermetisch dichte Anlage, welche im Minimum dem dreifachen maximalen Druck standhält.
Oftmals hört man im Zusammenhang mit brennbaren Kältemitteln von einer Füllmengenbeschränkung von 150 g. Bis zu dieser Menge müssen die Komponenten keinen ATEX-Schutz aufweisen. Die Grenze soll in nächster Zeit auf 400-500 g pro System angehoben werden. Wird das vieles vereinfachen? Nicht zwingend, denn unsere Geräte unterliegen oft der Anforderung, dass sie per Luftfracht transportierbar sind – was die Füllmenge auf max. 100 g pro Kältekreis einschränkt. Ebenso zu berücksichtigen ist die Konzentration im Raum bei potenzieller Leckage des Systems. In jenem Fall dürfen nämlich 8 g / m³ nicht überschritten werden.
Auswahl
Von der Anwendung als Hochtemperaturwärmepumpe bis zur UltraLow-Tieftemperaturkälteanlage variieren die Kandidaten an geeigneten, natürlichen Kältemitteln. Ob die Anforderungen der Kundin/des Kunden mit einem solchen erfüllt werden können, berechnen wir mit individuell erstellten Simulationstools, wobei gerade bei brennbaren Kältemitteln die Füllmengenprognose entscheidend ist.
Anwendbare Normen
Für die Labor- und Medizinalanwendungen kommt in diesem Bereich immer die IEC61010-2-011 oder IEC61010-2-12 zum Zuge. Diese Normenreihe ist anwendbar für Kälteanlagen im Laborbereich mit brennbaren Kältemitteln und Füllmengen < 150 g. Für grössere Anlagen mit mehr Füllmenge muss die EN378 zu Rate gezogen werden. Die Unterschiede zwischen diesen Normen sind ziemlich gross und deshalb müssen die Anforderungen an das Kühlaggregat von Anfang an definiert sein.
