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Startseite - GBT Forum - Wasser als K√§ltemittel Grundlagen Eigenschaften Arbeitsstoffe
 

Wasser als Kältemittel Grundlagen Eigenschaften Arbeitsstoffe

Text Datum Benutzer
Wasser als Kältemittel Grundlagen Eigenschaften Arbeitsstoffe
Guten Abend,
suche Links √ľber Thema Wasser als K√§ltemittel.
vielen Dank Winter
12 Dec 2004
19:55:51
L. Winter
Guten Abend, Text und Link zu Ihrem Thema! Gruss Krause

Was ist ein K√§ltemittel? Welche K√§ltemittel gibt es ? Definition der Auswahlkriterien f√ľr √∂kologisch unbedenkliche K√§ltemittel Thermodynamische Eigenschaften von K√§ltemitteln Einflu√ü der thermodynamischen Eigenschaften auf die Anlagenkomponenten Was ist bei der Absorptionsw√§rmepumpe anders? Was ist ein K√§ltemittel? Nach [JUNGNICKEL] wird als K√§ltemittel der Arbeitsstoff einer Kaltdampfmaschine bezeichnet. Im Fall einer W√§rmepumpe durchl√§uft ein K√§ltemittel zum Zweck der W√§rmeerzeugung einen Kreisproze√ü innerhalb des zweiphasigen Fl√ľssigkeits-Dampf-Gebietes. Dabei nimmt es bei niedrigen Temperaturen T0 W√§rme auf, indem es verdampft, und gibt nach seiner Verdichtung bei einer hohen Temperatur Tc W√§rme ab und kondensiert, bevor es wieder entspannt wird. Ein K√§ltemittel mu√ü im gew√ľnschten oder erforderlichen Temperaturbereich ein geeignetes Dampfdruckverhalten haben. Aus dem Zusammenhang Temperatur und Druck eines K√§ltemittels ergeben sich die Einsatzgrenzen:

Die untere Einsatzgrenze ist durch die Erstarrungs- bzw. Tripeltemperatur des jeweiligen K√§ltemittels gegeben, d.h. allgemein gilt: t0>ttripel. Au√üerdem sollte der Verdampfungsdruck m√∂glichst √ľber dem atmosph√§rischen Druck liegen, um bei eventuellen Undichtheiten das Eindringen von Luft und Feuchtigkeit zu vermeiden. Bei der oberen Einsatzgrenze, sollte die maximale Kondensationstemperatur deutlich unter der kritischen Temperatur liegen. Liegt das Temperaturniveau der W√§rmeabgabe √ľber der kritischen Temperatur, spricht man von einem transkritschen Proze√ü. Das nat√ľrliche K√§ltemittel CO2 eignet sich f√ľr einen solchen Kreisproze√ü, allerdings werden auf der Hochdruckseite auch wesentlich h√∂here Dr√ľcke erreicht als bei herk√∂mmlichen K√§ltemitteln (pCO2 im Bereich von 12,0 MPa, pR22 im Bereich von 2- 2,4 MPa). Den W√§rme√ľbertrager, in dem die W√§rme vom K√§ltemittel an die W√§rmesenke abgegeben wird, bezeichnet man in diesem Fall nicht als Kondensator, sondern als Gask√ľhler. Aus Festigkeitsgr√ľnden sollte bei Verwendung in der K√§ltetechnik √ľblicher Werkstoffe ein maximaler Kondensationsdruck von ca. 2,5 MPa nicht √ľberschritten werden. Das "Wunschk√§ltemittel" sollte neben der grunds√§tzlich geeigneten Dampfdruckkurve folgende Eigenschaften haben: ungiftig, nicht gesundheitssch√§digend unproblematisch in der Umwelt geruchlich wahrnehmbar, dabei jedoch die Atmungsorgane nicht reizend, nicht brennbar, nicht explosiv chemisch inaktiv (nicht korrosiv, nicht reaktiv (z. B. mit Schmierstoffen)) und chemisch stabil im K√§ltemittelkreislauf (kein Zerfall) im Fall einer K√§lteanlage ohne sch√§dlichen Einflu√ü auf das K√ľhlgut, im Fall einer W√§rmepumpe ohne sch√§dlichen Einflu√ü auf das W√§rmetr√§germedium (z. B. Trinkwasser) energetisch effizient (niedriger spezifischer Energiebedarf im Proze√ü), in hoher Reinheit kosteng√ľnstig herstellbar und verf√ľgbar gute W√§rme√ľbergangskoeffizienten niedrige Druckverluste bei der Durchstr√∂mung der Bauteile hohe volumetrische K√§lteleistung f√ľr den Einsatz kleiner Anlagenkomponenten Auf Grund der Vielzahl der Forderungen und der teilweisen Verkn√ľpfungen der Eigenschaften l√§√üt sich leicht ableiten, da√ü es kein ideales K√§ltemittel gibt und je nach Anwendungsfall das geeignetste K√§ltemittel auszuw√§hlen ist. Bereits 1956 kam [PLANK] zu der Erkenntnis: "Ein ideales K√§ltemittel, das alle erw√§hnten Forderungen erf√ľllt, ist bisher nicht gefunden worden und wird auch in Zukunft nicht zu finden sein.

Man wird sich daher von Fall zu Fall damit begn√ľgen m√ľssen, die jeweils wichtigsten Anforderungen erf√ľllt zu sehen und sich mit den nicht erf√ľllbaren, so gut es geht, abzufinden." Daran hat sich bis heute nichts ge√§ndert.

Welche K√§ltemittel gibt es ? Die Tafel K√§ltemittel gibt einen √úberblick √ľber die bis 1930 verwendeten K√§ltemittel in ihrer historischen Reihenfolge. Tafel: K√§ltemittel K√§ltemittel Jahr der Einf√ľhrung Entdecker Wasser H2O 1755 Cullen Ethylether C4H10O 1834 Perkins Methylether C2H6O 1864 Tellier Ammoniak Carre´ NH3 1867 (Linde 1876) Schwefeldioxid SO2 1874 Pictet Kohlendioxid Linde CO2 1881 (Lowe 1866) Methylchlorid CH3Cl 1878 Vincent Ethylchlorid C2H5Cl 1870 K√∂hler (vorgeschlagen) Distickstoffoxid N2O 1912 Linde Ethan C2H6 1921 Linde Propan C3H8 Isobutan C4H10


Von diesen Kältemitteln werden heute noch benutzt:

Ammoniak Als bedeutendstes K√§ltemittel f√ľr industrielle K√§lteerzeugung in Kompressions- und Absorptionsanlagen Wasser F√ľr Gro√üklimaanlagen mit Absorptionsk√§ltemaschinen Kohlenwasserstoffe F√ľr die Tieftemperaturtechnik, z. B. Erdgasverfl√ľssigung Kohlendioxid In W√§rmepumpen und Klimatisierung von Fahrzeugen (PKW, √Ėffentliche Verkehrsmittel) Propan und Isobutan In K√ľhlschr√§nken und W√§rmepumpen. Ab 1930 wurden dann halogenierte Kohlenwasserstoffe -FCKW- eingef√ľhrt. Sie werden auch als Sicherheitsk√§ltemittel bezeichnet. Es handelt sich vorrangig um Chlor-Fluor-Brom-Derivate von Methan und Ethan. Au√üerdem sind einige Propan- und Butanabk√∂mmlinge erprobt und verwendet worden, die aber keine gro√üe Bedeutung erlangt haben. Zur Entwicklung der Halogenkohlenwasserstoffe kam es auf Grund der immer mehr st√§rker werdenden Forderungen nach Eigenschaften, wie z. B. ungiftig, nicht brennbar und m√∂glichst kosteng√ľnstig. In [JUNGNICKEL] wird auf ein einheitliches Bezeichnungsschema f√ľr die Halogenk√§ltemittel verwiesen, in das die Kohlenwasserstoffe einbezogen werden k√∂nnen. Einem vorangestellten "R" schlie√üt sich eine bestimmte Folge von Zahlen bzw. Buchstaben an. Die erste drei Ziffern haben folgende Bedeutung:

1. Ziffer: Anzahl der C-Atome, vermindert um 1 2. Ziffer: Anzahl der H-Atome, vermehrt um 1, 3. Ziffer: Anzahl der F-Atome [MITCHLEY] entwickelte 1930 das R12. Bis 1936 wurden R11, R114, R113 und R22 in zeitlicher Reihenfolge auf dem Markt eingef√ľhrt. Lange Zeit wurden die K√§ltemittel in vielen Bereichen eingesetzt, bis 1974 von MOLINA und ROWLAND auf die katalytische Wirkung der Chloratome bei der Zerst√∂rung der Ozonschicht hingewiesen wurde und zum Nachdenken √ľber den zuk√ľnftigen Einsatz von chlorierten Kohlenwasserstoffen als Sicherheitsk√§ltemittel f√ľhrte. Mit dem Montrealer Protokoll von 1987 wurden erste konkrete Schritte zum FCKW-Ausstieg eingeleitet. Diesem folgten weitere internationale und nationale Regelungen und Verordnungen. Vom deutschen Bundesministerium wurde im Jahre 1990 dazu die FCKW-Halon-Verbotsverordnung erlassen.

Diese Verordnung verlangt, da√ü Stoffe mit einem ODP 0,05 (ODP - Ozone depleting potential - Ozonabbaupotential) nicht mehr eingesetzt werden d√ľrfen und ab dem Jahre 2000 alle Stoffe mit ODP>0 verboten werden [BURANDT]. Der in den FCKW enthaltene Chlor(Cl)-Anteil wirkt als Katalysator beim Ozonabbau in der oberen Stratosph√§re (in ca. 40 km H√∂he). Noch st√§rker wirkt der Brom(Br)-Anteil der Halone (z. B. R13B1). Bei den H-FCKW f√ľhrt der Anteil von mindestens 1 Wasserstoffatom (H) im Molek√ľl zu einem schnelleren Abbau der chemischen Verbindung und somit zu einem geringeren ODP-Wert [K√ĄLTEMITTEL].

Das K√§ltemittel R 22 (ODP = 0,05; GWP= 0,37) (GWP-Global-Warming Potential - Erderw√§rmungspotential wurde vom deutschen Umweltbundesamt [ELSNER] als Ersatzk√§ltemittel f√ľr R12 bekanntgegeben, obwohl R22 seit 01.01.2000 in Neuanlagen [(nach ¬ß 12 Abs. 2 u. 3 der BMU-Vorlage der FCKW-Halon-Verbots-Verordnung vom 23.05.90 - Verbot der Herstellung der Erzeugnisse nach ¬ß 3 Abs. 2 (d. h. Ger√§te und Anlagen) seit 01.01.2000 nach ¬ß 1 Abs. 2 g√ľltig f√ľr R 22; nach ¬ß 10 Abs. 3 - Verbot des Inverkehrbringens der Erzeugnisse nach ¬ß 3 Abs. 2 (d. h. Ger√§te und Anlagen) seit 01.01.2000 f√ľr nach diesem Datum hergestellte Erzeugnisse nach ¬ß 1 Abs. 2 g√ľltig f√ľr R 22)] ebenfalls verboten ist. Der allgemein unter Treibhauseffekt bekannte Vorgang f√ľhrt zur Erw√§rmung der Atmosph√§re, die durch verst√§rkte Absorption des Infrarot-Anteils aus dem Sonnenlicht verursacht wird. [K√ĄLTEMITTEL].

Diese Entscheidung kann also nur als √úbergangsl√∂sung angesehen werden, d. h. f√ľr R22 m√ľssen langfristige L√∂sungen gefunden werden, die √∂kologisch unbedenklich sind und alle anderen Kriterien (z.B. √§hnliche thermodynamische Eigenschaften, technische Handhabbarkeit usw.) erf√ľllen.

Das K√§ltemittel R22 wurde lange Zeit in W√§rmepumpen eingesetzt und ist auch noch in einigen Anlagen im Einsatz. Es ist von gro√üer Bedeutung ein Ersatzk√§ltemittel f√ľr R22 zu finden, welches √§hnliche thermodynamische Eigenschaften hat und √∂kologisch unbedenklich ist.

Definition der Auswahlkriterien f√ľr √∂kologisch unbedenkliche K√§ltemittel Die Bewertungskriterien werden unterschieden in: globale Kriterien Dazu z√§hlen das ODP, das Treibhauspotential - GWP und die TEWI-Zahl ( TEWI-Zahl-Total Equivalent Warming). Das GWP beschreibt das direkte Treibhauspotenial eines Stoffes, welches z.B. durch Leckagen oder unsachgem√§√üen Umgang mit K√§ltemitteln verursacht wird. Dar√ľber hinaus sollte auch das indirekte Treibhauspotential, welches durch den CO2-Aussto√ü bei der Elektroenergieerzeugung verursacht wird, Ber√ľcksichtigung finden [GERSTEL]. Beide Anteile zusammen ergeben die TEWI-Zahl, die wie folgt berechnet werden kann:

TEWI = (GWP*L*n) + (GWP*m*[1-ar]) + (n*Ea*b) Leckage R√ľckgewinnungsverluste Energiebedarf direkter Treibhauseffekt indirekter Treibhauseffekt

L - Leckrate pro Jahr [kg] n - Betriebszeit der Anlage [Jahre]

m - Anlagenf√ľllgewicht[kg

ar - Recycling-Faktor

Ea - Energiebedarf pro Jahr [kWh/a]

b - Energiemix/CO2-Emission pro kWh

lokale Kriterien Zu den lokalen Bewertungskriterien z√§hlen die Smogbildung, Wassergef√§hrdung, Toxizit√§t und Brennbarkeit. Zur Smogbildung, die zu Augenreizungen und Atemwegsbeschwerden f√ľhren kann, kommt es z.B. durch NOX-Verbindungen, die u.a. aus Ammoniak in der Atmosph√§re gebildet werden, und durch Kohlenwasser-stoffe (z.B. Propan und Butan). Die Sicherheitsk√§ltemittel (z.B. R134a, R404A usw.) sind als neutral einzustufen. Sie haben im Vergleich zu Propan und Butan ein 400 bis 800 fach niedrigeres Potential [GERSTEL]. Die Wassergef√§hrdung ist ein weiteres wichtiges Bewertungskriterium. Ammoniak ist sehr gut in Wasser l√∂slich (in einem Liter Wasser l√∂sen sich mehr als 0,5 kg Ammoniak). Die Kohlenwasserstoffe und die Sicherheitsk√§ltemittel sind im Vergleich dazu wasserunl√∂slich und k√∂nnen als unbedenklich angesehen werden. Die Sicherheitsk√§ltemittel sind im Vergleich zu den Kohlenwasserstoffen nicht brennbar. Propan und Butan bilden unter Umgebungsbedingungen ein explosives Gemisch. Die Explosionsgrenze der beiden Stoffe liegt ca. bei 2 bis 9 Vol.-%. [GERSTEL]

Die Ersatzk√§ltemittel f√ľr R 22 sollten folgende Eigenschaften haben:

hohe Leistungsparameter (eine schlechtere Leistungszahl w√ľrde zu einer Erh√∂hung des indirekten GWP f√ľhren)

Umweltvertr√§glichkeit (ODP, GWP und TEWI-Zahl m√ľssen sehr klein bzw. Null sein) hohe Sicherheit (nicht brennbar, nicht toxisch, nicht wasserl√∂slich) einfache Handhabung technische Verwendbarkeit √§hnliche thermodynamische Eigenschaften Bisher gibt es kein Ersatzk√§ltemittel, welches all diese Anforderungen optimal erf√ľllt. Als chlorfreie Alternativ-K√§ltemittel werden in [GERSTEL] folgende Sicherheitsk√§ltemittel und Kohlenwasserstoffe genannt(Tafel √úberblick): Tafel: √úberblick der chlorfreien Ersatzk√§ltemittel Sicherheitsk√§ltemittel Kohlenwasserstoffe K√§ltemittel R 134a, R 404A, R 507;R 410, R 407C i-Butan, Propan Einsatzbereich alle Anwendungen Haushaltsger√§te,W√§rmepumpen Ozonabbau (ODP) Treibhauspotential (GWP) Kein hoch Kein unbedeutend

Smogbildung Wasserlöslichkeit Unbedeutend 1-2[g/l] hoch -

Sicherheit nicht brennbar nicht toxisch brennbar (2-9 Vol. -%) nicht toxisch



Als langfristige Alternativen f√ľr R 22 in W√§rmepumpen werden die Einstoffk√§ltemittel:

R 134a (CH2F-CF3); R 290 (C3H8-Propan); R 1270 (C3H6-Propylen)

favorisiert. Die ODP- und GWP-Werte f√ľr diese K√§ltemittel sind der Tafel Globale Bewertung zu entnehmen.

Tafel: Globale Bewertungskriterien f√ľr die Einstoff-Ersatzk√§ltemittel f√ľr R22 K√§ltemittel ODP GWP R 22 0,05 0,37 R 134a 0 0,26 R 290 0 0 R 1270 0 0


In letzter Zeit wird auch √ľber NH3 (R 717) als Ersatzstoff f√ľr R 22 im Bereich der W√§rmepumpentechnik wieder nachgedacht.

Den positiven Eigenschaften (z. B. ODP =0; GWP = 0, gute Leistungszahlen, sehr preiswert) stehen die negativen Eigenschaften gegen√ľber:

hohe Verdichtungsendtemperaturen tV=189¬įC f√ľr t0=0¬įC und tC=60¬įC bzw. tV=131¬įC f√ľr t0=0¬įC und tC=40¬įC), was besondere Anforderungen an die Schmierstoffe und Anlagenkomponenten stellt keine geeigneten Schmierstoffe f√ľr kleinere Anlagen korrosive Wirkung gegen√ľber Kupferwerkstoffen Toxizit√§t Brennbarkeit Vorrangig wegen der Toxizit√§t (f√ľhrt zu Panik- und Vergiftungserscheinungen) wird NH3 in W√§rmepumpen bisher nicht eingesetzt. Neben den Einstoffk√§ltemitteln gibt es auch K√§ltemittelgemische. Gemische k√∂nnen aus zwei oder mehr Stoffen bestehen. Dabei kann es sich um geringe Zus√§tze zu einem Grundstoff handeln, um dessen Eigenschaften zu verbessern, z.B. seine Brennbarkeit herabzusetzen.

Die nachfolgenden Betrachtungen beziehen sich ausschließlich auf die genannten Einstoff-Kältemittel.

Das K√§ltemittel R407C hat sich in der W√§rmepumpentechnik als Ersatzk√§ltemittel f√ľr R22 bei kleineren Anlagen durchgesetzt. Anf√§ngliche Probleme mit Kompressorschmierstoffen sind gel√∂st worden, so da√ü das K√§ltemittel nun als Ersatzstoff breite Anwendung findet.

Das nahe-azeotrope Gemisch R410A hat den Nachteil, da√ü der Kondensationsdruck im Vergleich zu R22 wesentlich h√∂her (ca. 50% [RENZ]) ist. F√ľr bestehende Anlagen bedeutet das, da√ü die Anlagenteile hinsichtlich ihrer Festigkeit √ľberpr√ľft werden m√ľssen. Die statische Bauteilbeanspruchung durch den h√∂heren Druck kann relativ problemlos durch konstruktive Ver√§nderungen gew√§hrleistet werden. Problematischer ist die dynamische Belastung (An- und Abfahrvorg√§nge). Dieser Fakt mu√ü vor allem bei der Verdichterauslegung Ber√ľcksichtigung finden [K√ĖNIG].

Ein weiteres Problem beim Einsatz von K√§ltemittelgemischen sind die Leckagen. In [BURANDT] wird darauf verwiesen, da√ü bei K√§ltemittelleckagen Konzentrationsverschiebungen auftreten. Diese Konzentrationsverschiebungen f√ľhren zu einer energetischen Verschlechterung des Anlagenverhaltens, und es kann zu einer Gef√§hrdung des sicheren Betriebes der Anlage, z.B. durch Fl√ľssigkeitsschl√§ge im Verdichter kommen.

Thermodynamische Eigenschaften von K√§ltemitteln Nach [PLANK] versteht man unter den thermodynamischen Eigenschaften all die Zusammenh√§nge, die zwischen den fundamentalen Zustandsgr√∂√üen - das sind der Druck p [MPa], die Temperatur t [¬įC] oder T [K] und das Volumen V [m3] oder v [m3/kg] - bestehen. Eine M√∂glichkeit der anschaulichen Darstellung der Zustands√§nderungen bei Kreisprozessen bieten kalorische Zustandsdiagramme. F√ľr Linksprozesse eignet sich das Mollier- p, h - Diagramm. Um gegen√ľber den Diagrammdarstellungen mit linearem Koordinatenma√üstab eine bessere Ausnutzung der Diagrammfl√§che zu erreichen, wird das Diagramm in der Regel in einem halblogarithmischen Koordinatensystem aufgezeichnet und dann als log p, h - Diagramm bezeichnet (Bild log p, h - Diagramm).



Bild: Darstellung des W√§rmepumpenprozesses f√ľr eine Kompressionsw√§rmepumpe mit dem K√§ltemittel R290 im log p, h - Diagramm.

Die Punkte 1 bis 4 kennzeichnen die Zustandsänderungen bei einem idealen Kreisprozeß.

1-2 Verdichtung 2-3 Kondensation 3-4 Entspannung 4-1 Verdampfung Aus dem Diagramm lassen sich auch Stoffdaten (h - Enthalpie, s - Entropie, p - Druck, t - Temperatur, v -spezifisches Volumen) f√ľr erste Proze√überechnungen ablesen. Neben den thermodynamischen Stoffeigenschaften k√∂nnen K√§ltemittel auch auf ihre physikalischen Eigenschaften (Viskosit√§t, W√§rmeleitzahl usw.), chemischen Eigenschaften (Verhalten mit Werkstoffen, Verhalten mit Schmiermitteln usw.) und physiologischen Eigenschaften (Giftigkeit, Warnf√§higkeit usw.) n√§her untersucht werden.

Da die Eignung eines Stoffes als K√§ltemittel, speziell als Substitut f√ľr R 22, im wesentlichen von den thermischen Eigenschaften abh√§ngt (z. B. lassen die thermischen Eigenschaften R√ľckschl√ľsse auf die Anlagenkomponenten und das Leistungsverhalten zu), werden sich die nachfolgenden Betrachtungen auch nur auf diesen Komplex beschr√§nken.

Einflu√ü der thermodynamischen Eigenschaften auf die Anlagenkomponenten Die Auswertung von Proze√überechnungen hat gezeigt, da√ü der Einflu√ü der spezifischen Stoffeigenschaften auf die Leistungszahl dann gering ist, wenn die Anlage konstruktiv so angepa√üt wird, da√ü eine optimale Proze√üf√ľhrung m√∂glich ist. (z. B. Verdichterauswahl, Rohrleitungsdimensionierung, W√§rme√ľbertragerauslegung usw.). F√ľr die Proze√üparameter tC=40¬įC, t0=0¬įC, Dt√ú=7K und einer Kondensatk√ľhlung DtKU=20K liegt die Leistungszahl im Bereich von 5,64 bis 5,75 (Tafel Spezifische K√§ltemitteleigenschaften). Tafel: Spezifische K√§ltemitteleigenschaften f√ľr tC=40¬įC, t0=0¬įC, Dt√ú=7K, DtKU=20K K√§ltemittel p0 [MPa] pC [MPa] TV [¬įC] v1 [m3/kg] qV [kJ/m3] e R 22 0,49 1,52 78,6 0,049 4112 5,64 R 134a 0,29 1,04 60,7 0,071 2591 5,75 R 290 0,47 1,37 59,8 0,100 3500 5,69 R 1270 0,57 1,74 68,0 0,085 4195 5,66


Die anderen Parameter, wie z. B. Druck, volumetrische Heizleistung und spezifisches Sauggasvolumen weisen Unterschiede auf, die bei der konstruktiven Gestaltung der Anlage zu ber√ľcksichtigen sind. F√ľr die sicherheitstechnische Auslegung einer Anlage ist der Kondensationsdruck ein wichtiger Aspekt. Denn je h√∂her der Kondensationsdruck ist, desto aufwendiger wird der Aufbau der Anlage, die diesem Druck standhalten mu√ü (Extrembeispiel: bei CO2 als K√§ltemittel k√∂nnen Werte von 11 MPa erreicht werden). Der Kondensationsdruck von R 1270 ist im Vergleich zu R 22 um 15% h√∂her. F√ľr den Fall, da√ü eine bestehende Anlage mit diesem R 22-Substitut bef√ľllt werden soll, mu√ü durch eine Festigkeitsberechnung der Nachweis erbracht werden, da√ü die Anlage den h√∂heren statischen Anforderungen standh√§lt. Die dynamische Belastung, die durch An- und Abfahrvorg√§nge entsteht, ist ebenfalls zu beachten. Die Kondensationsdr√ľcke f√ľr R 134a und R 290 sind im Vergleich zu R 22 niedriger, d.h. die Anlagenbauteile m√ľssen nicht ver√§ndert werden.

Das Druckverhältnis p = pC/p0 (Bild Druckverhältnis) hat Einfluß auf den Liefergrad l des Verdichters, das Verhältnis von realem zu theoretischem Fördervolumenstrom.



Bild: Druckverh√§ltnis p f√ľr verschiedene K√§ltemittel f√ľr t0=0¬įC

Nach [JUNGNICKEL] gilt f√ľr Hubkolbenverdichter f√ľr Druckverh√§ltnisse im Bereich von p =1.8 f√ľr den Liefergrad folgende Beziehung:

l = 0,93 - 0,06 (p-1)

d.h. mit steigendem Druckverhältnis sinkt der Liefergrad des Verdichters (Bild Liefergrad).



Bild: Liefergrad in Abhängigkeit vom Druckverhältnis

Die Abweichungen f√ľr den Liefergrad sind bei den betrachteten K√§ltemitteln gering. Im Vergleich zu R22 verschlechtert sich mit R134a der Liefergrad um 4% und mit R290 kommt es zu einer minimalen Verbesserung um 1,5%. Mit R1270 (lR1270=0,807) kann ein Liefergrad √§hnlich dem von R22 (lR22=0,804) erreicht werden.

Dem Bild "Volumetrische Heizleistung" ist zu entnehmen, daß Kältemittel mit einem niedrigen Sauggasdruck eine kleine volumetrische Heizleistung (R134a) haben.

Das bedeutet, da√ü f√ľr eine bestimmte Heizleistung ein gr√∂√üeres Verdichterf√∂rdervolumen erforderlich ist.



Bild: Volumetrische Heizleistung und Sauggasdruck

Kältemittel mit einem höheren Sauggasdruck haben eine größere volumenstrombezogene Heizleistung (R1270), d. h. es wird ein wesentlich kleineres Verdichterfördervolumen benötigt.

Bisher wurden die einzelnen Bewertungskriterien separat betrachtet, aber f√ľr die Wahl eines geeigneten Ersatzk√§ltemittels ist eine komplexe Betrachtungsweise erforderlich (Tafel Zusammenfassung). Die Wahl eines Ersatzk√§ltemittels ist immer mit Kompromissen verbunden, da es zur Zeit kein Substitut gibt, das alle Anforderungen erf√ľllt.

Tafel : Zusammenfassung der Bewertungskriterien globale Kriterien Lokale Kriterien thermodynamische Kriterien* K√§lte-mittel ODP GWP Smog-bildung Wasserge-f√§hrdung Brennbar pC [MPa] tV [¬įC] qV [kJ/m3;] e p l R22 0,05 0,37 - - - 1,52 78,6 4112 5,64 3,1 0,804 R134a 0 0,26 - 1-2 g/l - 1,04 60,7 2591 5,75 3,58 0,772 R290 0 0 ja - ja 1,37 59,8 3500 5,69 2,91 0,816 R270 0 0 ja - ja 1,74 68,0 4195 5,66 3,05 0,807


* f√ľr tC=40¬įC, t0=0¬įC, D t√ú=7K, D tKU=20K

Soll das in Frage kommende Ersatzk√§ltemittel der Forderung nach √∂kologischer Unbedenklichkeit gerecht werden, so kommen von den bisher betrachteten K√§ltemitteln nur noch R290 und R1270 in Betracht (ODP=0; GWP=0). Beide K√§ltemittel sind jedoch mit den M√§ngeln behaftet, da√ü sie zur Smogbildung neigen und brennbar sind. Dieses Risiko kann nur durch die Vermeidung von Leckagen an den Anlagen reduziert werden. Ein weiteres Problem beim Einsatz von R1270 ist die fehlende Langzeiterfahrung bez√ľglich des Materialeinsatzes, da Propylen aufgrund der chemischen Doppelbindung (H2O=CH-CH3) relativ reaktionsfreudig ist [BITZER]. Das K√§ltemittel R1270 bietet gegen√ľber R290 die Vorteile, da√ü die volumetrische Heizleistung (√§hnlich der von R22) und die Verdichtungsendtemperatur h√∂her sind. Aufgrund dieser Eigenschaften wird Propylen als √∂kologisch unbedenkliches Ersatzk√§ltemittel f√ľr R22 in der bereits beschriebenen Kombi - W√§rmepumpe favorisiert.

Was ist bei der Absorptionsw√§rmepumpe anders ? Ein Unterschied zu den Kompressionsw√§rmepumpe besteht bei den Absorptionsw√§rmepumpen darin, da√ü neben dem K√§ltemittel ein zweiter Stoff gebraucht wird, das Sorptions- oder L√∂sungsmittel. Die Forderungen an das Sorptionsmittel hinsichtlich Giftigkeit, Entz√ľndbarkeit, Korrosionsverhalten, Umweltverhalten und Wirtschaftlichkeit sind die gleichen wie f√ľr die anderen K√§ltemittel. Das trifft auch auf die physikalischen Gr√∂√üen wie W√§rmeleitf√§higkeit und Viskosit√§t zu. Au√üerdem ist wird eine vollkommene Mischbarkeit der Komponenten vorausgesetzt und der Dampfdruck des Sorptionsmittels sollte m√∂glichst gering sein Das erm√∂glicht eine einfachere Trennung der Arbeitsstoffe. Nach [JUNGNICKEL] wurde versucht, geeignete L√∂sungsmittel f√ľr die bew√§hrten Halogen Kohlenwasserstoffe zu finden, und ihnen damit eine √§hnliche Entwicklung wie in den Kompressionsanlagen zu verschaffen. In der Praxis haben sich allerdings bisher nur zwei Arbeitsstoffpaare durchgesetzt:

Ammoniak-Wasser Wasser Lithiunbromid

Auszug aus: http://metp02.mw.tu-dresden.de/rootcollection/Course/Engin/HPum/L3

12 Dec 2004
19:56:52
L.Krause

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