Einleitung
J. Perkins verwirklichte im Jahre 1834 zum ersten Mal das Prinzip der Kompressionskältemaschine. Schon ihn beschäftigte zu diesem Zeitpunkt die Wahl des richtigen Kältemittels. Er verwendete das stark explosive und narkotische Ethylether, welches aufgrund seiner Wirkungen schnell durch das Dimethylether abgelöst wurde. Allerdings konnten erst Ammoniak, Kohlendioxid und Schwefeldioxid zwischen 1866 und 1930 entscheidendere Akzente setzen. In der Zeit von 1920 bis 1930 kamen jedoch auch Kohlenwasserstoffe erstmals zur Erprobung.3 Mit der Einführung von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) in den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts konnten erstmals chemisch beständige, nicht brennbare und ungiftige Arbeitsstoffe zum Einsatz kommen. Die FCKW wurden aufgrund ihrer günstigen Eigenschaften auch als „Sicherheitskältemittel“ bezeichnet. Neben den FCKW konnte sich nur Ammoniak in der Kältetechnik behaupten. Erst seit 1980 wurden diese vermeintlich umweltfreundlichen Kältemittel wieder in Frage gestellt. 1987 folgte auf diese Entwicklung ein internationales Abkommen über Kontrollmaßnahmen zum Schutz der Ozonschicht. Dieses Montrealer Protokoll legte den schrittweisen Ausstieg aus der FCKW-Produktion, aufgrund seiner Ozon schädigenden Wirkung, fest.4
Spätestens an dieser Stelle begann die verstärkte Suche nach alternativen Kältemitteln, vor allem in Hinsicht auf die Verminderung von umweltschädigenden Eigenschaften. Eine langsame Umstellung auf umweltfreundlichere Mittel begann. Als Beispiel ist die Einführung von R134a und R22 als Ersatzkältemittel für R12 durch das Bundesumweltamt vom 30. Dezember 1995 zu nennen. Leider gelang es bis heute nicht, optimale Ersatzstoffe für die FCKW zu finden.5 Aus heutiger Sicht bieten sich als Alternative vor allem die teilhalogenierten Fluorchlorkohlenwasserstoffe (HFKW), aber auch die natürlichen Kältemittel, die bereits vor über 100 Jahren eingesetzt wurden, an.
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3 Vgl. Flacke, N.: Alternative Kältemittel. In: Technik am Bau, 2 (1998), S. 45.
4 Vgl. Wille, W.: Kältemittel in Deutschland. In: Sicherheitsingenieur: unabhängige Fachzeitschrift zu Sicherheit und Gesundheit. 4 (2001), S. 50.
5 Vgl. Flacke, N.: Alternative Kältemittel. In: Technik am Bau, 2 (1998), S. 46
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Das System der Kälteanlage
2.1 Allgemeine Funktionsweise
2.2 Die Hauptteile einer Kälteanlage
3. Anforderungsprofil und Klassifizierung von Kältemitteln
3.1 Allgemeine Überlegungen zur Kältemittelauswahl
3.2 Gesetzliche Regelungen
3.3 Klassifizierung der Kältemittel
3.4 Bezeichnung der Kältemittel
4. Kohlenwasserstoffe als Kältemittel
4.1 Sicherheitstechnische Aspekte
4.2 Umwelteinflüsse
4.3 Energietechnische Aspekte
4.4 Einsatzmöglichkeiten der Kohlenwasserstoffe als Kältemittel
4.5 Möglichkeiten der Umrüstung bestehender Anlagen
4.6 Greenfreeze
5. Resümee und Ausblick
6. Literaturverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Wärmeabtransport[1]
Abbildung 2: Einfache Darstellung eines Kältesystems
Abbildung 3: Das Kältekreislaufsystem in einem Haushaltskühlschrank.
Abbildung 4: Die Hauptteile einer Kälteanlage
Abbildung 5: Der Hoch- und Niederdruckteil im Kältemittelkreislauf
Abbildung 6: Dampfdruckkurven verschiedener Kältemittel[2]
Abbildung 7: Massenstrombezogene Kälteleistungen im Verdampfer
Abbildung 8: Dichte des Saugdampfes
Abbildung 9: Volumenstrombezogene Kälteleistungen
1. Einleitung
J. Perkins verwirklichte im Jahre 1834 zum ersten Mal das Prinzip der Kompressionskältemaschine. Schon ihn beschäftigte zu diesem Zeitpunkt die Wahl des richtigen Kältemittels. Er verwendete das stark explosive und narkotische Ethylether, welches aufgrund seiner Wirkungen schnell durch das Dimethylether abgelöst wurde. Allerdings konnten erst Ammoniak, Kohlendioxid und Schwefeldioxid zwischen 1866 und 1930 entscheidendere Akzente setzen. In der Zeit von 1920 bis 1930 kamen jedoch auch Kohlenwasserstoffe erstmals zur Erprobung.[3]
Mit der Einführung von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) in den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts konnten erstmals chemisch beständige, nicht brennbare und ungiftige Arbeitsstoffe zum Einsatz kommen. Die FCKW wurden aufgrund ihrer günstigen Eigenschaften auch als „Sicherheitskältemittel“ bezeichnet. Neben den FCKW konnte sich nur Ammoniak in der Kältetechnik behaupten.
Erst seit 1980 wurden diese vermeintlich umweltfreundlichen Kältemittel wieder in Frage gestellt. 1987 folgte auf diese Entwicklung ein internationales Abkommen über Kontrollmaßnahmen zum Schutz der Ozonschicht. Dieses Montrealer Protokoll legte den schrittweisen Ausstieg aus der FCKW-Produktion, aufgrund seiner Ozon schädigenden Wirkung, fest.[4]
Spätestens an dieser Stelle begann die verstärkte Suche nach alternativen Kältemitteln, vor allem in Hinsicht auf die Verminderung von umweltschädigenden Eigenschaften. Eine langsame Umstellung auf umweltfreundlichere Mittel begann. Als Beispiel ist die Einführung von R134a und R22 als Ersatzkältemittel für R12 durch das Bundesumweltamt vom 30. Dezember 1995 zu nennen. Leider gelang es bis heute nicht, optimale Ersatzstoffe für die FCKW zu finden.[5]
Aus heutiger Sicht bieten sich als Alternative vor allem die teilhalogenierten Fluorchlorkohlenwasserstoffe (HFKW), aber auch die natürlichen Kältemittel, die bereits vor über 100 Jahren eingesetzt wurden, an.
Zu den natürlichen Kältemitteln gehören insbesondere Ammoniak, CO2 und die Kohlenwasserstoffe. In der folgenden Darstellung sollen allerdings vor allem die Letzteren im Mittelpunkt stehen. Zunächst wird es jedoch notwendig sein, die Funktionsweise einer Kälteanlage zu skizzieren sowie allgemeine Überlegungen zur Kältemittelauswahl vorzustellen. Es werden also zunächst Grundkenntnisse vermittelt, die zum Verständnis des eigentlichen Problems beitragen sollen.
Im Hauptteil, der sich mit den energietechnischen und sicherheitstechnischen Aspekten der Nutzung von Kohlenwasserstoffen als alternative Kältemittel beschäftigen wird, sind dann verschiedene Fragen zu klären. In Bezug auf die sicherheitstechnischen Aspekte werden Brennbarkeit und Umwelteinflüsse den Schwerpunkt der Arbeit bilden. Den Schwerpunkt der energietechnischen Aspekte werden vor allem die verschiedenen thermodynamischen Eigenschaften bilden, die später noch näher zu erläutern sind.
Allerdings wird der Gesamtschwerpunkt eher im sicherheitstechnischen Bereich liegen, da dieser immer wieder Grundlage aktueller Diskussionen ist und in der Praxis neben den betriebswirtschaftlichen Aspekten die Basis der Entscheidung für oder gegen Kohlenwasserstoffe als Kältemittel bildet.
Ein Großteil der aktuellen Literatur lässt den energietechnischen Aspekt ebenfalls außen vor. Daher ist die Literaturlage in diesem Bereich auch relativ schlecht, wohingegen besonders die Umwelteigenschaften häufig Beachtung in der Literatur finden. Insgesamt ist die Literaturlage jedoch als gut einzuschätzen, was auch dem Forschungsstand auf diesem Gebiet entspricht.
Eine Zusammenfassung und ein kurzer Ausblick werden Bestandteile des Schlussteils sein. Der Gesamtkontext der Arbeit soll es außerdem im Schlussteil ermöglichen, die Frage, ob Kohlenwasserstoffe unter energie- und sicherheitstechnischen Aspekten eine tatsächliche Alternative zu bestehenden Kältemitteln sein können, zu beantworten.
Die Relevanz der Arbeit ist eindeutig, denn das Problem des Findens optimaler Kältemittel ist inzwischen 170 Jahre alt.[6] Eine Lösung des Problems muss daher in naher Zukunft angestrebt werden, auch wenn diese Arbeit dazu nur einen geringen Beitrag leisten kann.
Methodisch gesehen, ist es besonders wichtig, relevante Abgrenzungen zu anderen Kältemitteln aufzuzeigen, um im Schlussteil zu einem determinierenden Ergebnis gelangen zu können.
2. Das System der Kälteanlage
Die Kälteanlage ermöglicht es, die Temperatur eines bestimmten Raumes oder einer bestimmten Zone unter die Umgebungstemperatur zu senken. Die Kälteanlage muss dazu der zu kühlenden Stelle Wärme entziehen, um diese dann zu einem anderen Ort abzutransportieren. Kälte selbst kann nicht erzeugt werden. Veith beschreibt Kühlung daher als „die Übertragung von Wärme von einem Ort, wo sie unerwünscht ist, zu einem Ort, wo sie nicht stört.“[7] Abbildung 1 zeigt diesen Übertragungsmechanismus.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Die an der Kühlstelle aufgenommene Wärme wird dahin transportiert, wo sie nicht stört.
2.1 Allgemeine Funktionsweise
Das Prinzip einer Kälteanlage ist sehr einfach. Zur Kühlung wird die Verdampfungs-enthalpie genutzt. Das Kältemittel R 134a siedet zum Beispiel bei -26,2˚C. Wird dieses also in eine offene Flasche gefüllt, beginnt es zu kochen. Die R 134a-Flüssigkeit verwandelt sich in R 134a-Dampf. Zu diesem Vorgang wird Wärme, die Verdampfungsenthalpie, benötigt. Diese Wärme fließt aus der wärmeren Umgebungsluft durch die Wandung der Flasche in das Kältemittel. Der Dampf besitzt nun eine höhere Enthalpie als das flüssige Kältemittel.[8]
Würde diese Flasche nun in einen Kühlschrank gestellt und das dampfförmige R134a über eine Röhre aus dem Kühlschrank geleitet, entstünde ein funktionierender Kühlschrank. Das Prinzip ist also ähnlich dem eines Eisschrankes, nur das hier, im Gegensatz zur R134a- Konstruktion, die Schmelzenthalpie und nicht die Verdampfungsenthalpie zur Kühlung genutzt wird. Die Wärme im Innern des Kühlschrankes, dessen Temperatur mit ungefähr 5˚C angenommen wird, fließt also zum „Verdampfer“, dessen Temperatur -26,2˚C beträgt. Jedoch fließt auch ständig neue Wärme durch das Gehäuse des Kühlschrankes nach innen. Dieser Vorgang kann durch eine gute Isolierung eingedämmt werden.[9]
Problematisch an dieser Konstruktion eines Kühlschrankes wären jedoch die hohen Betriebskosten. Da R134a über eine Verdampfungsenthalpie von 217 kJ/kg verfügt, kann 1 kg des Stoffes 217 kJ Wärme aufnehmen. Da jedoch bereits ein mittlerer Haushaltskühlschrank einen Kältebedarf von 5040 kJ hat, wären sehr große Mengen des Kältemittels notwendig. Die logische Folge war die Suche nach einer Möglichkeit der Zurückverflüssigung des Kältemittels. Hierzu ist es jedoch nicht möglich, das Kältemittel einfach durch Abkühlung wieder zurück zu verflüssigen, denn dazu wäre es notwendig, eine weitere Kühlanlage zu installieren. Allerdings eröffnete sich unter Ausnutzung einiger physikalischer Gesetze eine weitere Möglichkeit. Wird ein gasförmiger Stoff verdichtet, erhöht sich seine Temperatur erheblich. Zusätzlich erhöht sich aber auch der Verflüssigungspunkt. Wird R134a beispielsweise von 1 bar auf 8,15 bar verdichtet, steigt der Verflüssigungspunkt auf +32˚C. Nun kann Wärme an die Umgebung, die meist kälter ist, fließen. Es ist ein Temperaturgefälle vorhanden. In Folge dieses Wärmeabflusses kondensiert das Kältemittel wieder. Alle im Kühlabteil aufgenommene Wärme kann also im Verflüssiger wieder abgegeben werden (Verflüssigungsenthalpie). Da die Arbeit des Verdichters ebenfalls auf das Kältemittel einwirkte und somit weitere Energie, also Wärme, zuführte, muss auch diese Wärme im Verflüssiger abgegeben werden.[10]
Der Kreislauf ist nun also beinahe geschlossen, allerdings ist der Druck, der durch die Kompression entstanden ist, noch vorhanden. Im Verdampfer ist jedoch wieder ein niedriger Druck nötig, so dass ein Verdampfen auch bei tiefen Temperaturen möglich ist. Hierzu wird zwischen Verflüssiger und Verdampfer noch ein Drosselorgan, zum Beispiel ein einfaches Ventil, gesetzt. Dadurch wird der hohe Verflüssigerdruck wieder auf den niedrigen Verdampferdruck expandiert.[11] Abbildung 2 zeigt eine einfache Darstellung der Funktionsweise eines Kältesystems und Abbildung 3 das Kältekreislaufsystem in einem Haushaltskühlschrank.
[...]
[1] Abbildung 1 – 5: Veith, H.: Grundkurs der Kältetechnik, 8. Auflage, Mainz 2004, S. 121ff, Abb. 3.43, 3.51, 3.52, 4.3, 4.52.
[2] Abbildung 6 – 9: Stannow, J.: Propan – ein alternatives Kältemittel für Wärmepumpen? In: Peitz, M. (Hrsg.), Kohlenwasserstoffe als Kältemittel, Karlsruhe 1994, S. 75ff, Bild 6.1, 6.2, 6.3, 6.4.
[3] Vgl. Flacke, N.: Alternative Kältemittel. In: Technik am Bau, 2 (1998), S. 45.
[4] Vgl. Wille, W.: Kältemittel in Deutschland. In: Sicherheitsingenieur: unabhängige Fachzeitschrift zu Sicherheit und Gesundheit. 4 (2001), S. 50.
[5] Vgl. Flacke, N.: Alternative Kältemittel. In: Technik am Bau, 2 (1998), S. 46.
[6] Siehe oben.
[7] Veith, H.: Grundkurs der Kältetechnik, 8. Auflage, Mainz 2004, S. 121.
[8] Vgl. Ebd., S. 122.
[9] Vgl. Veith, H.: Grundkurs der Kältetechnik, 8. Auflage, Mainz 2004, S. 123.
[10] Vgl. Ebd., S. 124.
[11] Vgl. Hinsch Kältetechnik: Funktion und Wirkungsweise einer Kompressionskälteanlage, S. 1.
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