Die Lektion des Professors über HFO- und HC-Kältemittel

Hydrofluorolefin- (HFO) und Kohlenwasserstoff-Kältemittel (HC) werden als Kältemittel der vierten Generation für das 21. Jahrhundert bezeichnet, nach Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW), Fluorchlorkohlenwasserstoffen (H-FCKW) und Fluorkohlenwasserstoffen (H-FKW).

HFO-Kältemittel sind eigentlich ungesättigte HFC-Kältemittel und gelten aufgrund ihrer Umweltfreundlichkeit, Kosteneffizienz und hohen Energieeffizienz weithin als Kältemittel der nächsten Generation.

HFOs unterscheiden sich von HFCs dadurch, dass sie Derivate von Olefinen und nicht von Alkanen (Paraffinen) sind. Olefine haben Kohlenstoffatome, die durch eine Doppelbindung verbunden sind, während Alkane Einfachbindungen zwischen Kohlenstoffatomen haben. Fluorkohlenwasserstoff-Kältemittel (HFC) wie R-134a, -125, -143a und -152a sowie Kältemittelmischungen auf HFKW-Basis wie R-507, -407A, -407B, -407C und -410A bestehen alle aus Wasserstoff und Fluor und Kohlenstoff, der durch Einfachbindungen zwischen den Atomen verbunden ist. Hydrofluorolefin-Kältemittel (HFO) bestehen ebenfalls aus Wasserstoff-, Fluor- und Kohlenstoffatomen, enthalten jedoch mindestens eine Doppelbindung zwischen den Kohlenstoffatomen.

Zwei beliebte HFO-Kältemittel sind HFO-1234yf und HFO-1234ze (sieheTabelle 1 hier ). Sowohl HFO-1234yf als auch HFO-1234ze haben ein Ozonabbaupotenzial (ODP) von Null und ein extrem niedriges Treibhauspotenzial (GWP). Aufgrund ihrer niedrigeren GWP-Werte haben diese Kältemittel einen viel kürzeren Lebenszyklus in der Atmosphäre.

Diese beiden HFO-Kältemittel haben die Sicherheitsklassifizierung A2L, was bedeutet, dass sie eine geringe Toxizität aufweisen, aber leicht entflammbar sind (sieheTabelle 2 hier ). A2L und B2L sind schwer entflammbare Kältemittel mit einer maximalen Verbrennungsgeschwindigkeit von höchstens 10 Zentimeter pro Sekunde (cm/s) oder 3,9 Zoll pro Sekunde (Zoll/s). Der Großbuchstabe „L“ steht für „geringere“ Entflammbarkeit. Es gibt HFOs mit der Sicherheitseinstufung A1 (nicht brennbar); Allerdings müssen mit diesen Kältemitteln noch weitere Untersuchungen und Tests durchgeführt werden.

HFO-1234yf ist ein Ersatz für R-134a mit niedrigem Treibhauspotenzial, der für den Einsatz in mobilen Klimaanlagen (MAC) in der Automobilindustrie vorgesehen ist. Viele europäische und einige US-amerikanische Automobilhersteller verwenden derzeit HFO-1234yf für mobile Klimaanlagenanwendungen.

HFO-1234yf hat ein 300-mal geringeres GWP als HFC-134a.

Im Vergleich zu anderen Alternativen verursacht HFO-1234yf für Automobilhersteller die niedrigsten Umstellungskosten. Allerdings sind die Anschaffungskosten des Kältemittels viel höher als die von HFC-134a.

Obwohl das Kältemittel von ASHRAE als leicht entzündlich eingestuft wird, haben mehrjährige Tests der Society of Automotive Engineers (SAE) gezeigt, dass HFO-1234yf unter den Bedingungen, denen ein Fahrzeug normalerweise ausgesetzt ist, nicht entzündet werden kann.

HFO-1234ze soll R-410A in Klimaanlagen und Wärmepumpenanwendungen für Privathaushalte und leichte gewerbliche Zwecke ersetzen und gleichzeitig eine Reduzierung des GWP um 75 Prozent ermöglichen. Es kann sowohl in luft- als auch wassergekühlten Kältemaschinen in Supermärkten und Gewerbegebäuden eingesetzt werden. Weitere Anwendungen umfassen Verkaufsautomaten, Kühlschränke, Getränkeautomaten, Lufttrockner und Kohlendioxid-Kaskadensysteme in der gewerblichen Kühlung.

HFO-1234ze bietet außerdem eine hervorragende Energieeffizienz, ist kostengünstig und kann mit minimalen Änderungen in bestehende Gerätedesigns eingesetzt werden. Es hat erhebliche Vorteile gegenüber R-32, das ein mittleres GWP, eine Kältemittelsicherheitsklasse A2 und hohe Austrittstemperaturen aufweist. (A2 bedeutet geringe Entflammbarkeit und geringe Toxizität.) Hohe Austrittstemperaturen können die Systemleistung und Haltbarkeit in heißen Klimazonen beeinträchtigen. Außerdem kann bei R-32 ein Ölwechsel erforderlich sein. (Tabelle 2enthält einen Vergleich der atmosphärischen Siedepunkte für einige gängige FCKW, H-FCKW, H-FKW, HFO, HC und natürliche Kältemittel.)

Aufgrund der leichten Entflammbarkeit von HFO wurden umfangreiche Studien zu seiner Sicherheit in Automobilen, Zentrifugalkühlern und anderen stationären Anwendungen durchgeführt. Ein wichtiger Gesichtspunkt für die breite Akzeptanz von HFO-Kältemitteln ist die Entwicklung von Standards und Vorschriften für die sichere Verwendung dieser leicht entflammbaren A2L-Kältemittel.

HFOs sind in Schmierölen vom Typ Polyolester (POE) mischbar. Die Mischbarkeit von HFOs mit POE-Schmierstoffen ist vergleichbar mit der von R-134a. HFOs sind in Mineralöl- oder Alkylbenzol-Schmierstoffen nicht löslich.

HC-Kältemittel werden von ASHRAE in die Sicherheitsgruppe A3 eingestuft. Kältemittel der Sicherheitsgruppe A3 sind leicht entzündlich. Reine HC-Kältemittel enthalten weder Chlor noch Fluor in ihren Molekülen; Sie enthalten nichts als Wasserstoff und Kohlenstoff und haben daher ein Ozonabbaupotenzial (ODP) von Null.

Viele FCKW-, H-FCKW- und HFKW-Kältemittel stammen aus diesen beiden Grundmolekülen Ethan und Methan. Heutzutage werden in den USA jedoch weder Ethan noch Methan als eigenständiges HC-Kältemittel verwendet. HC-Kältemittel tragen zwar zur globalen Erwärmung bei, ihr GWP ist jedoch im Vergleich zu FCKW-, HFCKW- und HFC-Kältemitteln sehr niedrig (sieheTabelle 1).

HC-Kältemittel weisen im Vergleich zu derzeit verwendeten HFC-Kältemitteln eine bessere Energieeffizienz und einen geringeren Energieverbrauch auf. Diese Kältemittel werden von der Natur und nicht von einem Chemieunternehmen hergestellt und werden oft als „natürliche“ Kältemittel bezeichnet. Die effizientesten und umweltfreundlichsten Kältemittel, die es heute auf der Welt gibt, sind allesamt natürliche Kältemittel. Zu diesen Kältemitteln gehören HCs, Ammoniak, Luft, Wasser und Kohlendioxid. KW werden in Europa für viele Anwendungen als eigenständige Kältemittel eingesetzt. Zu den gängigen Anwendungen gehören gewerbliche Kühlschränke und Flaschenkühler, Split-Klimaanlagen sowie Haushaltskühlschränke und -gefrierschränke.

In den USA wurden nur einige HCs von der US-Umweltschutzbehörde (EPA) im Rahmen ihrer Significant New Alternatives Policy (SNAP) zugelassen. SNAP hat die Verwendung von HC in den USA aufgrund ihrer hohen Entflammbarkeit nur in neuen Geräten unter begrenzten Bedingungen und mit begrenzten Kältemittelfüllmengen genehmigt. Seit vielen Jahren werden in den USA in vielen Kältemittelmischungen auf HFCKW- und HFC-Basis geringe Anteile an Kohlenwasserstoffen verwendet, um die Ölrückführung zum Kompressor zu unterstützen. Kältemittelmischungen, die geringe Mengen an HC-Kältemitteln enthalten, sind jedoch nicht brennbar. Dies liegt daran, dass das HC-Kältemittel nur einen kleinen Prozentsatz (weniger als 3 Prozent) der gesamten Kältemittelmischung ausmacht. Zu den beliebten Kohlenwasserstoffen gehören Propan, Isobuten, Isopentan, Methan, Ethan und R-441A – eine HC-Mischung aus Ether, Propan, Isobuten und n-Butan.

Einige Kältemittelmischungen, die HC-Kältemittel in geringen Anteilen für die Ölrückführung enthalten, umfassen R-402A, -402B, -403A, -406A und -438A.

Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels (Anfang November 2014) waren nur R-600a (Isobutan), R-290 (Propan) und R-441A (HC-Mischung) vom SNAP-Programm der EPA für die Verwendung in den USA zugelassen Zu diesen drei HC-Kältemitteln gehören neue eigenständige Einzelhandelskühlschränke. Gefriergeräte können Propan (R-290) verwenden, solange die Kältemittelfüllung 150 Gramm (5,3 Unzen) nicht überschreitet; und neue Kühl- und Gefriergeräte für den Haushalt oder kombinierte Kühl-/Gefriergeräte können Isobutan (R-600a) oder R-441A verwenden, solange die Kältemittelfüllmenge 2,0 Unzen (57 Gramm) nicht überschreitet.

Beachten Sie, dass das SNAP-Programm der EPA die Verwendung von HC in den USA nur in begrenzten Anwendungen und nur in neuen Geräten erlaubt. Das Nachrüsten von Geräten, die HC-Kältemittel enthalten, ist in den USA nicht zulässig. In jedem einzelnen Gerät dürfen nur die auf dem Typenschild des Kompressors und der Anlage zugelassenen HC-Kältemittel verwendet werden. Auch Ersatzteile für Geräte, die ein brennbares HC-Kältemittel enthalten, müssen mit dem jeweiligen Kältemittel kompatibel sein. In bestimmten Gemeinden gelten möglicherweise auch örtliche Vorschriften zur Verwendung von HC als Kältemittel. Es liegt in der Verantwortung des Wartungstechnikers, sich über die lokalen, nationalen und globalen Vorschriften für HC-Kältemittel auf dem Laufenden zu halten.

Kohlenwasserstoffe haben wie HFCKW- und HFC-Kältemittel Siedepunkte, die für Kühl- und/oder Klimaanlagenanwendungen wünschenswert sind. Aufgrund der niedrigen Siedepunkte dieser Kältemittel müssen jedoch Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. (Tabelle 2listet zu Vergleichszwecken einige bekannte FCKW, HFCKW, HFCKW, HFO, HC und natürliche Kältemittel mit ihren Sicherheitsklassifizierungen und Siedepunkten bei Atmosphärendruck auf.)

Erscheinungsdatum: 01.12.2014

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John Tomczyk ist emeritierter HVACR-Professor an der Ferris State University in Big Rapids, Michigan, und Mitautor von Refrigeration & Air Conditioning Technology, herausgegeben von Cengage Learning. Kontaktieren Sie ihn unter [email protected].