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Wasser als Kältemittel Grundlagen Eigenschaften Arbeitsstoffe
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Wasser als Kältemittel Grundlagen Eigenschaften Arbeitsstoffe
Guten Abend,
suche Links über Thema Wasser als Kältemittel.
vielen Dank Winter
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12 Dec 2004
19:55:51 |
L. Winter |
Guten Abend, Text und Link zu Ihrem Thema! Gruss Krause
Was ist ein Kältemittel? Welche Kältemittel gibt es ? Definition der Auswahlkriterien für ökologisch unbedenkliche Kältemittel Thermodynamische Eigenschaften von Kältemitteln Einfluß der thermodynamischen Eigenschaften auf die Anlagenkomponenten Was ist bei der Absorptionswärmepumpe anders? Was ist ein Kältemittel? Nach [JUNGNICKEL] wird als Kältemittel der Arbeitsstoff einer Kaltdampfmaschine bezeichnet. Im Fall einer Wärmepumpe durchläuft ein Kältemittel zum Zweck der Wärmeerzeugung einen Kreisprozeß innerhalb des zweiphasigen Flüssigkeits-Dampf-Gebietes. Dabei nimmt es bei niedrigen Temperaturen T0 Wärme auf, indem es verdampft, und gibt nach seiner Verdichtung bei einer hohen Temperatur Tc Wärme ab und kondensiert, bevor es wieder entspannt wird. Ein Kältemittel muß im gewünschten oder erforderlichen Temperaturbereich ein geeignetes Dampfdruckverhalten haben. Aus dem Zusammenhang Temperatur und Druck eines Kältemittels ergeben sich die Einsatzgrenzen:
Die untere Einsatzgrenze ist durch die Erstarrungs- bzw. Tripeltemperatur des jeweiligen Kältemittels gegeben, d.h. allgemein gilt: t0>ttripel. Außerdem sollte der Verdampfungsdruck möglichst über dem atmosphärischen 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 Wärmeabgabe über der kritischen Temperatur, spricht man von einem transkritschen Prozeß. Das natürliche Kältemittel CO2 eignet sich für einen solchen Kreisprozeß, allerdings werden auf der Hochdruckseite auch wesentlich höhere Drücke erreicht als bei herkömmlichen Kältemitteln (pCO2 im Bereich von 12,0 MPa, pR22 im Bereich von 2- 2,4 MPa). Den Wärmeübertrager, in dem die Wärme vom Kältemittel an die Wärmesenke abgegeben wird, bezeichnet man in diesem Fall nicht als Kondensator, sondern als Gaskühler. Aus Festigkeitsgründen sollte bei Verwendung in der Kältetechnik üblicher Werkstoffe ein maximaler Kondensationsdruck von ca. 2,5 MPa nicht überschritten werden. Das "Wunschkältemittel" sollte neben der grundsätzlich geeigneten Dampfdruckkurve folgende Eigenschaften haben: ungiftig, nicht gesundheitsschädigend 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 Kältemittelkreislauf (kein Zerfall) im Fall einer Kälteanlage ohne schädlichen Einfluß auf das Kühlgut, im Fall einer Wärmepumpe ohne schädlichen Einfluß auf das Wärmeträgermedium (z. B. Trinkwasser) energetisch effizient (niedriger spezifischer Energiebedarf im Prozeß), in hoher Reinheit kostengünstig herstellbar und verfügbar gute Wärmeübergangskoeffizienten niedrige Druckverluste bei der Durchströmung der Bauteile hohe volumetrische Kälteleistung für den Einsatz kleiner Anlagenkomponenten Auf Grund der Vielzahl der Forderungen und der teilweisen Verknüpfungen der Eigenschaften läßt sich leicht ableiten, daß es kein ideales Kältemittel gibt und je nach Anwendungsfall das geeignetste Kältemittel auszuwählen ist. Bereits 1956 kam [PLANK] zu der Erkenntnis: "Ein ideales Kältemittel, das alle erwähnten Forderungen erfüllt, ist bisher nicht gefunden worden und wird auch in Zukunft nicht zu finden sein.
Man wird sich daher von Fall zu Fall damit begnügen müssen, die jeweils wichtigsten Anforderungen erfüllt zu sehen und sich mit den nicht erfüllbaren, so gut es geht, abzufinden." Daran hat sich bis heute nichts geändert.
Welche Kältemittel gibt es ? Die Tafel Kältemittel gibt einen Überblick über die bis 1930 verwendeten Kältemittel in ihrer historischen Reihenfolge. Tafel: Kältemittel Kältemittel Jahr der Einführung 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 Köhler (vorgeschlagen) Distickstoffoxid N2O 1912 Linde Ethan C2H6 1921 Linde Propan C3H8 Isobutan C4H10
Von diesen Kältemitteln werden heute noch benutzt:
Ammoniak Als bedeutendstes Kältemittel für industrielle Kälteerzeugung in Kompressions- und Absorptionsanlagen Wasser Für Großklimaanlagen mit Absorptionskältemaschinen Kohlenwasserstoffe Für die Tieftemperaturtechnik, z. B. Erdgasverflüssigung Kohlendioxid In Wärmepumpen und Klimatisierung von Fahrzeugen (PKW, Öffentliche Verkehrsmittel) Propan und Isobutan In Kühlschränken und Wärmepumpen. Ab 1930 wurden dann halogenierte Kohlenwasserstoffe -FCKW- eingeführt. Sie werden auch als Sicherheitskältemittel bezeichnet. Es handelt sich vorrangig um Chlor-Fluor-Brom-Derivate von Methan und Ethan. Außerdem sind einige Propan- und Butanabkömmlinge erprobt und verwendet worden, die aber keine große Bedeutung erlangt haben. Zur Entwicklung der Halogenkohlenwasserstoffe kam es auf Grund der immer mehr stärker werdenden Forderungen nach Eigenschaften, wie z. B. ungiftig, nicht brennbar und möglichst kostengünstig. In [JUNGNICKEL] wird auf ein einheitliches Bezeichnungsschema für die Halogenkältemittel verwiesen, in das die Kohlenwasserstoffe einbezogen werden können. Einem vorangestellten "R" schließt 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 eingeführt. Lange Zeit wurden die Kältemittel in vielen Bereichen eingesetzt, bis 1974 von MOLINA und ROWLAND auf die katalytische Wirkung der Chloratome bei der Zerstörung der Ozonschicht hingewiesen wurde und zum Nachdenken über den zukünftigen Einsatz von chlorierten Kohlenwasserstoffen als Sicherheitskältemittel führte. 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, daß Stoffe mit einem ODP 0,05 (ODP - Ozone depleting potential - Ozonabbaupotential) nicht mehr eingesetzt werden dürfen 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 Stratosphäre (in ca. 40 km Höhe). Noch stärker wirkt der Brom(Br)-Anteil der Halone (z. B. R13B1). Bei den H-FCKW führt der Anteil von mindestens 1 Wasserstoffatom (H) im Molekül zu einem schnelleren Abbau der chemischen Verbindung und somit zu einem geringeren ODP-Wert [KÄLTEMITTEL].
Das Kältemittel R 22 (ODP = 0,05; GWP= 0,37) (GWP-Global-Warming Potential - Erderwärmungspotential wurde vom deutschen Umweltbundesamt [ELSNER] als Ersatzkältemittel für R12 bekanntgegeben, obwohl R22 seit 01.01.2000 in Neuanlagen [(nach § 12 Abs. 2 u. 3 der BMU-Vorlage der FCKW-Halon-Verbots-Verordnung vom 23.05.90 - Verbot der Herstellung der Erzeugnisse nach § 3 Abs. 2 (d. h. Geräte und Anlagen) seit 01.01.2000 nach § 1 Abs. 2 gültig für R 22; nach § 10 Abs. 3 - Verbot des Inverkehrbringens der Erzeugnisse nach § 3 Abs. 2 (d. h. Geräte und Anlagen) seit 01.01.2000 für nach diesem Datum hergestellte Erzeugnisse nach § 1 Abs. 2 gültig für R 22)] ebenfalls verboten ist. Der allgemein unter Treibhauseffekt bekannte Vorgang führt zur Erwärmung der Atmosphäre, die durch verstärkte Absorption des Infrarot-Anteils aus dem Sonnenlicht verursacht wird. [KÄLTEMITTEL].
Diese Entscheidung kann also nur als Übergangslösung angesehen werden, d. h. für R22 müssen langfristige Lösungen gefunden werden, die ökologisch unbedenklich sind und alle anderen Kriterien (z.B. ähnliche thermodynamische Eigenschaften, technische Handhabbarkeit usw.) erfüllen.
Das Kältemittel R22 wurde lange Zeit in Wärmepumpen eingesetzt und ist auch noch in einigen Anlagen im Einsatz. Es ist von großer Bedeutung ein Ersatzkältemittel für R22 zu finden, welches ähnliche thermodynamische Eigenschaften hat und ökologisch unbedenklich ist.
Definition der Auswahlkriterien für ökologisch unbedenkliche Kältemittel Die Bewertungskriterien werden unterschieden in: globale Kriterien Dazu zählen 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 unsachgemäßen Umgang mit Kältemitteln verursacht wird. Darüber hinaus sollte auch das indirekte Treibhauspotential, welches durch den CO2-Ausstoß bei der Elektroenergieerzeugung verursacht wird, Berücksichtigung 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 Rückgewinnungsverluste Energiebedarf direkter Treibhauseffekt indirekter Treibhauseffekt
L - Leckrate pro Jahr [kg] n - Betriebszeit der Anlage [Jahre]
m - Anlagenfüllgewicht[kg
ar - Recycling-Faktor
Ea - Energiebedarf pro Jahr [kWh/a]
b - Energiemix/CO2-Emission pro kWh
lokale Kriterien Zu den lokalen Bewertungskriterien zählen die Smogbildung, Wassergefährdung, Toxizität und Brennbarkeit. Zur Smogbildung, die zu Augenreizungen und Atemwegsbeschwerden führen kann, kommt es z.B. durch NOX-Verbindungen, die u.a. aus Ammoniak in der Atmosphäre gebildet werden, und durch Kohlenwasser-stoffe (z.B. Propan und Butan). Die Sicherheitskältemittel (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 Wassergefährdung ist ein weiteres wichtiges Bewertungskriterium. Ammoniak ist sehr gut in Wasser löslich (in einem Liter Wasser lösen sich mehr als 0,5 kg Ammoniak). Die Kohlenwasserstoffe und die Sicherheitskältemittel sind im Vergleich dazu wasserunlöslich und können als unbedenklich angesehen werden. Die Sicherheitskältemittel 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 Ersatzkältemittel für R 22 sollten folgende Eigenschaften haben:
hohe Leistungsparameter (eine schlechtere Leistungszahl würde zu einer Erhöhung des indirekten GWP führen)
Umweltverträglichkeit (ODP, GWP und TEWI-Zahl müssen sehr klein bzw. Null sein) hohe Sicherheit (nicht brennbar, nicht toxisch, nicht wasserlöslich) einfache Handhabung technische Verwendbarkeit ähnliche thermodynamische Eigenschaften Bisher gibt es kein Ersatzkältemittel, welches all diese Anforderungen optimal erfüllt. Als chlorfreie Alternativ-Kältemittel werden in [GERSTEL] folgende Sicherheitskältemittel und Kohlenwasserstoffe genannt(Tafel Überblick): Tafel: Überblick der chlorfreien Ersatzkältemittel Sicherheitskältemittel Kohlenwasserstoffe Kältemittel R 134a, R 404A, R 507;R 410, R 407C i-Butan, Propan Einsatzbereich alle Anwendungen Haushaltsgeräte,Wärmepumpen 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 für R 22 in Wärmepumpen werden die Einstoffkältemittel:
R 134a (CH2F-CF3); R 290 (C3H8-Propan); R 1270 (C3H6-Propylen)
favorisiert. Die ODP- und GWP-Werte für diese Kältemittel sind der Tafel Globale Bewertung zu entnehmen.
Tafel: Globale Bewertungskriterien für die Einstoff-Ersatzkältemittel für R22 Kältemittel 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 über NH3 (R 717) als Ersatzstoff für R 22 im Bereich der Wärmepumpentechnik wieder nachgedacht.
Den positiven Eigenschaften (z. B. ODP =0; GWP = 0, gute Leistungszahlen, sehr preiswert) stehen die negativen Eigenschaften gegenüber:
hohe Verdichtungsendtemperaturen tV=189°C für t0=0°C und tC=60°C bzw. tV=131°C für t0=0°C und tC=40°C), was besondere Anforderungen an die Schmierstoffe und Anlagenkomponenten stellt keine geeigneten Schmierstoffe für kleinere Anlagen korrosive Wirkung gegenüber Kupferwerkstoffen Toxizität Brennbarkeit Vorrangig wegen der Toxizität (führt zu Panik- und Vergiftungserscheinungen) wird NH3 in Wärmepumpen bisher nicht eingesetzt. Neben den Einstoffkältemitteln gibt es auch Kältemittelgemische. Gemische können aus zwei oder mehr Stoffen bestehen. Dabei kann es sich um geringe Zusätze 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 Kältemittel R407C hat sich in der Wärmepumpentechnik als Ersatzkältemittel für R22 bei kleineren Anlagen durchgesetzt. Anfängliche Probleme mit Kompressorschmierstoffen sind gelöst worden, so daß das Kältemittel nun als Ersatzstoff breite Anwendung findet.
Das nahe-azeotrope Gemisch R410A hat den Nachteil, daß der Kondensationsdruck im Vergleich zu R22 wesentlich höher (ca. 50% [RENZ]) ist. Für bestehende Anlagen bedeutet das, daß die Anlagenteile hinsichtlich ihrer Festigkeit überprüft werden müssen. Die statische Bauteilbeanspruchung durch den höheren Druck kann relativ problemlos durch konstruktive Veränderungen gewährleistet werden. Problematischer ist die dynamische Belastung (An- und Abfahrvorgänge). Dieser Fakt muß vor allem bei der Verdichterauslegung Berücksichtigung finden [KÖNIG].
Ein weiteres Problem beim Einsatz von Kältemittelgemischen sind die Leckagen. In [BURANDT] wird darauf verwiesen, daß bei Kältemittelleckagen Konzentrationsverschiebungen auftreten. Diese Konzentrationsverschiebungen führen zu einer energetischen Verschlechterung des Anlagenverhaltens, und es kann zu einer Gefährdung des sicheren Betriebes der Anlage, z.B. durch Flüssigkeitsschläge im Verdichter kommen.
Thermodynamische Eigenschaften von Kältemitteln Nach [PLANK] versteht man unter den thermodynamischen Eigenschaften all die Zusammenhänge, die zwischen den fundamentalen Zustandsgrößen - das sind der Druck p [MPa], die Temperatur t [°C] oder T [K] und das Volumen V [m3] oder v [m3/kg] - bestehen. Eine Möglichkeit der anschaulichen Darstellung der Zustandsänderungen bei Kreisprozessen bieten kalorische Zustandsdiagramme. Für Linksprozesse eignet sich das Mollier- p, h - Diagramm. Um gegenüber den Diagrammdarstellungen mit linearem Koordinatenmaßstab eine bessere Ausnutzung der Diagrammfläche 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 Wärmepumpenprozesses für eine Kompressionswärmepumpe mit dem Kältemittel 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) für erste Prozeßberechnungen ablesen. Neben den thermodynamischen Stoffeigenschaften können Kältemittel auch auf ihre physikalischen Eigenschaften (Viskosität, Wärmeleitzahl usw.), chemischen Eigenschaften (Verhalten mit Werkstoffen, Verhalten mit Schmiermitteln usw.) und physiologischen Eigenschaften (Giftigkeit, Warnfähigkeit usw.) näher untersucht werden.
Da die Eignung eines Stoffes als Kältemittel, speziell als Substitut für R 22, im wesentlichen von den thermischen Eigenschaften abhängt (z. B. lassen die thermischen Eigenschaften Rückschlüsse auf die Anlagenkomponenten und das Leistungsverhalten zu), werden sich die nachfolgenden Betrachtungen auch nur auf diesen Komplex beschränken.
Einfluß der thermodynamischen Eigenschaften auf die Anlagenkomponenten Die Auswertung von Prozeßberechnungen hat gezeigt, daß der Einfluß der spezifischen Stoffeigenschaften auf die Leistungszahl dann gering ist, wenn die Anlage konstruktiv so angepaßt wird, daß eine optimale Prozeßführung möglich ist. (z. B. Verdichterauswahl, Rohrleitungsdimensionierung, Wärmeübertragerauslegung usw.). Für die Prozeßparameter tC=40°C, t0=0°C, DtÜ=7K und einer Kondensatkühlung DtKU=20K liegt die Leistungszahl im Bereich von 5,64 bis 5,75 (Tafel Spezifische Kältemitteleigenschaften). Tafel: Spezifische Kältemitteleigenschaften für tC=40°C, t0=0°C, DtÜ=7K, DtKU=20K Kältemittel p0 [MPa] pC [MPa] TV [°C] 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 berücksichtigen sind. Für die sicherheitstechnische Auslegung einer Anlage ist der Kondensationsdruck ein wichtiger Aspekt. Denn je höher der Kondensationsdruck ist, desto aufwendiger wird der Aufbau der Anlage, die diesem Druck standhalten muß (Extrembeispiel: bei CO2 als Kältemittel können Werte von 11 MPa erreicht werden). Der Kondensationsdruck von R 1270 ist im Vergleich zu R 22 um 15% höher. Für den Fall, daß eine bestehende Anlage mit diesem R 22-Substitut befüllt werden soll, muß durch eine Festigkeitsberechnung der Nachweis erbracht werden, daß die Anlage den höheren statischen Anforderungen standhält. Die dynamische Belastung, die durch An- und Abfahrvorgänge entsteht, ist ebenfalls zu beachten. Die Kondensationsdrücke für R 134a und R 290 sind im Vergleich zu R 22 niedriger, d.h. die Anlagenbauteile müssen nicht verändert werden.
Das Druckverhältnis p = pC/p0 (Bild Druckverhältnis) hat Einfluß auf den Liefergrad l des Verdichters, das Verhältnis von realem zu theoretischem Fördervolumenstrom.
Bild: Druckverhältnis p für verschiedene Kältemittel für t0=0°C
Nach [JUNGNICKEL] gilt für Hubkolbenverdichter für Druckverhältnisse im Bereich von p =1.8 für 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 für den Liefergrad sind bei den betrachteten Kältemitteln 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 ähnlich 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, daß für eine bestimmte Heizleistung ein größeres Verdichterfördervolumen 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 für die Wahl eines geeigneten Ersatzkältemittels ist eine komplexe Betrachtungsweise erforderlich (Tafel Zusammenfassung). Die Wahl eines Ersatzkältemittels ist immer mit Kompromissen verbunden, da es zur Zeit kein Substitut gibt, das alle Anforderungen erfüllt.
Tafel : Zusammenfassung der Bewertungskriterien globale Kriterien Lokale Kriterien thermodynamische Kriterien* Kälte-mittel ODP GWP Smog-bildung Wasserge-fährdung Brennbar pC [MPa] tV [°C] 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
* für tC=40°C, t0=0°C, D tÜ=7K, D tKU=20K
Soll das in Frage kommende Ersatzkältemittel der Forderung nach ökologischer Unbedenklichkeit gerecht werden, so kommen von den bisher betrachteten Kältemitteln nur noch R290 und R1270 in Betracht (ODP=0; GWP=0). Beide Kältemittel sind jedoch mit den Mängeln behaftet, daß 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 bezüglich des Materialeinsatzes, da Propylen aufgrund der chemischen Doppelbindung (H2O=CH-CH3) relativ reaktionsfreudig ist [BITZER]. Das Kältemittel R1270 bietet gegenüber R290 die Vorteile, daß die volumetrische Heizleistung (ähnlich der von R22) und die Verdichtungsendtemperatur höher sind. Aufgrund dieser Eigenschaften wird Propylen als ökologisch unbedenkliches Ersatzkältemittel für R22 in der bereits beschriebenen Kombi - Wärmepumpe favorisiert.
Was ist bei der Absorptionswärmepumpe anders ? Ein Unterschied zu den Kompressionswärmepumpe besteht bei den Absorptionswärmepumpen darin, daß neben dem Kältemittel ein zweiter Stoff gebraucht wird, das Sorptions- oder Lösungsmittel. Die Forderungen an das Sorptionsmittel hinsichtlich Giftigkeit, Entzündbarkeit, Korrosionsverhalten, Umweltverhalten und Wirtschaftlichkeit sind die gleichen wie für die anderen Kältemittel. Das trifft auch auf die physikalischen Größen wie Wärmeleitfähigkeit und Viskosität zu. Außerdem ist wird eine vollkommene Mischbarkeit der Komponenten vorausgesetzt und der Dampfdruck des Sorptionsmittels sollte möglichst gering sein Das ermöglicht eine einfachere Trennung der Arbeitsstoffe. Nach [JUNGNICKEL] wurde versucht, geeignete Lösungsmittel für die bewährten Halogen Kohlenwasserstoffe zu finden, und ihnen damit eine ähnliche 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
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12 Dec 2004
19:56:52 |
L.Krause |
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