Ammoniak-Kühlung (NH3 – R717)

Heute ist die Ammoniak-Kühlung, auch bekannt als NH3 oder R717, eine der wichtigsten Alternativen, aber warum?

Ammoniak oder NH3 ist ein natürliches Kältemittel des Typs L2, das hauptsächlich in großen Industrieanlagen, den so genannten Kältemaschinen, eingesetzt wird. Die NH3-Kältetechnik zeichnet sich durch ihre hervorragenden thermodynamischen Eigenschaften aus.

Seine Leistung erlaubt den Einsatz bei mittleren und niedrigen Temperaturen bis zu -70 ºC.

Eigenschaften von Ammoniak (NH3 - R717)

Hauptmerkmale von Ammoniak
Chemische Formel	NH₃
Flüssigkeitsdichte bei +20ºC	610 kg/m³
Gasdichte bei +20ºC	0,78kg/m³
Relative Gasdichte (in Bezug auf Luft)	0,6
Dreifacher Punkt	-77,7 ºC
Verdampfungstemperatur bei 1,013 bar	-33,4 ºC
Entzündungstemperatur (DIN 51794)	+ 651 ºC
Explosive Konzentration im Volumen	15-28%
Explosivstoffkonzentration nach Gewicht	114-212,8 g/m³
Explosive Konzentration in p.p.m.	150000 – 280000 ppm
Volumenzunahme bei Zustandsänderung	800 Mal
Sehr gut wasserlöslich (Liter NH3/Liter Wasser)	1140 a 0ºC
Verursacht Hautverbrennungen

Erforderliche Qualität von Ammoniak für die Verwendung als Kältemittel
Reinheit	99,98%
Maximaler Wassergehalt	150 ppm
Altöl	3 ppm
Unaussprechlich	0,2 ml/g

Warum wird Ammoniak in der Kältetechnik verwendet?

Die Ammoniak-Kälteerzeugung ist vor allem wegen der Folgen der Verwendung von Halogenkohlenwasserstoff-Kältemitteln (HFKW, HFCKW und FCKW) erforderlich, die diese verursachen:

Die Zerstörung der Ozonschicht führte zu deren Verbot durch das Montrealer Protokoll.
Die globale Erwärmung als Folge der Emission von Treibhausgasen. Daraus ergab sich die Notwendigkeit, die Verwendung von HFKW, die als Ersatz für FCKW und HFCKW eingeführt worden waren, einzuschränken und sogar zu verbieten. Um diese Situation zu regeln, wurde das Kyoto-Protokoll formalisiert.

Damit wurde das Ziel des Pariser Abkommens bekräftigt, das darauf abzielt, die globale Erwärmung bis zum Jahr 2100 unter 1,5°C bis 2°C zu halten. Wir müssen auch bedenken, dass diese Emissionen weltweit zunehmend eingeschränkt werden, bis sie schließlich verboten werden.

Um den künftigen Kältemittelmangel zu beheben, wurden zwei Möglichkeiten in Betracht gezogen und entwickelt:

Die Synthese neuer Kältemittel, obwohl diese Alternative nach ihrem Scheitern und dem Verbot der bekannten HFKW als “Ersatzstoffe” nur ins Ungewisse führen würde.
Verwendung bekannter natürlicher Kältemittel, die mit dem Umweltschutz vereinbar sind.

Natürliche Kältemittel tragen nicht zum Ozonabbau, zur globalen Erwärmung oder zur ökologischen Sicherheit bei. Darüber hinaus kann ihr indirekter Beitrag zur globalen Erwärmung verringert werden.

Die derzeit verwendeten natürlichen Kältemittel sind:

Luft (R-729)
Wasser (R-718)
Kohlendioxid oder CO2 (R-744)
Ammoniak oder NH3 (R-717)

Darüber hinaus gibt es auch Kohlenwasserstoffe: Propan (R-290), Propylen (R-1270), Butan (R-600), Isobutan (R-600a), Ethan (R-170).

Die Verwendung dieser Flüssigkeiten kann gewisse Gefahren mit sich bringen, die jedoch durch ordnungsgemäße Ausführung und Wartung auf der Grundlage umfangreicher Erfahrungen und unter Einhaltung der geltenden Vorschriften, örtlichen Verordnungen und Normen beherrscht werden können.

Nutzen und Vorteile der Ammoniak-Kälteerzeugung

Ammoniak (NH3 oder R717) wird seit dem späten 19. Jahrhundert als Kältemittel verwendet und ist auch heute noch eine beliebte Wahl, insbesondere bei industriellen und gewerblichen Anwendungen. Seine Verwendung ist auf eine Reihe von Vorzügen und Vorteilen zurückzuführen, die es zu einer attraktiven Alternative zu synthetischen Kältemitteln machen.

Nutzen

Die Ammoniak- oder NH3-Kältetechnik hat folgende nutzen:

Effizienz und höhere Leistung als andere HFKW-Gase wie R134a, R290 oder sogar CO2.
Zuverlässigkeit und Sicherheit durch die geltenden Vorschriften für die sichere Anwendung in Ihren Räumlichkeiten und den charakteristischen Geruch, der im Falle einer Leckage leicht zu erkennen ist.
Ökologische Nachhaltigkeit. R717 ist ein natürliches Kältemittel mit null GWP und ODP.
Eine kluge Investition, da sie sich bei maximaler Rendite schnell amortisiert.

Vorteile

Die Ammoniak- oder NH3-Kältetechnik hat folgende Vorteile:

Energieeffizient. Dank seiner hervorragenden thermodynamischen Eigenschaften wird der Stromverbrauch gesenkt und eine schnelle Amortisierung der Investition erreicht.
Geringer Wartungsaufwand. Es ist ein optimiertes und kompaktes System dank der Funktionalität seines Kühlsystems.
Kosteneffizienz: Da dieses natürliche Kältemittel reichlich vorhanden ist, sind seine Kosten niedrig.
Niedrige Kältemittelfüllung. Dank des kritischen Füllungsdesigns ohne Sammler enthält es auch energiesparende Komponenten.
Keine Notwendigkeit für einen Maschinenraum. System mit eingebautem Luftkondensator, konzipiert für die Außenaufstellung.
Kein Wasserverbrauch. Dank der Luftkondensation für Temperaturen bis zu 47ºC ist das System daher frei von Legionellose-Risiken.
Kompatibilität mit einem indirekten Glykol-Kühlsystem mit variablem Durchfluss (optional).
Niedrigere Herstellungskosten. Für das Kühlsystem werden Stahlrohre mit kleinerem Durchmesser verwendet, was zu Einsparungen führt.

Welche Anwendungen gibt es für Ammoniak-Kälteanlagen?

Ammoniak spielt eine Schlüsselrolle bei einer Vielzahl von Anwendungen in der Kältetechnik und gewährleistet die Qualität und Sicherheit von Produkten und Prozessen. Zu seinen Hauptfunktionen gehören:

Industrielle Schlachthöfe: Sie werden in Bereichen wie der Konservierung, den Gefrierkammern und den Zerlegungsräumen eingesetzt, wo sie eine effiziente Kühlung des Produkts gewährleisten und optimale Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen aufrechterhalten.
Obst- und Gemüselager: Unerlässlich für die Aufrechterhaltung optimaler Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen, um die Qualität der Produkte während der Lagerung zu erhalten. Es wird auch in Kammern mit kontrollierter Atmosphäre verwendet, um die Reifung bestimmter Früchte zu verzögern.
Fischereiindustrie: Wird bei der Konservierung von frischen und gefrorenen Produkten verwendet und sorgt für angemessene Temperaturen bei der Konservierung von Fisch in Eisfabriken und Konservierungskammern.
Milchindustrie und Molkereien: Für die Kühlung und Konservierung von Milch und Milchprodukten, wobei die Wärmebelastung mit der Kälteerzeugung koordiniert wird, um die Energieeffizienz zu gewährleisten.
Getränkefabriken: Er steuert die Temperatur während der Gärung, verhindert die Kristallisation von Wasser und sorgt für die richtige Entwicklung der Hefestämme.
Kunststoffindustrie: Kontrolliert die Temperatur bei der Verarbeitung von Kunststoffen und garantiert so die gewünschte Form der Formteile.
Andere industrielle Prozesse: Einsatz bei der Kühlung von Schweißgeräten, in der Automobil- und Luftfahrtindustrie sowie bei anderen Prozessen, die eine präzise Temperaturkontrolle erfordern.

Preis

Im Allgemeinen ist Ammoniak billiger als viele andere synthetische Kältemittel, weil es verfügbar ist und weil es eine relativ einfach zu produzierende Chemikalie ist. Es ist jedoch zu beachten, dass der Preis von Ammoniak aufgrund von Faktoren wie Angebot und Nachfrage auf dem globalen Chemiemarkt, Produktions- und Transportkosten sowie staatlichen Vorschriften, die sich auf die Produktion und Verwendung von Ammoniak auswirken können, schwanken kann.

Schließlich ist es wichtig, bei der Bewertung des Preises von Ammoniak in der Kältetechnik nicht nur die anfänglichen Anschaffungskosten zu berücksichtigen, sondern auch die langfristigen Vorteile in Bezug auf Energieeffizienz, Wartung und Einhaltung von Umweltvorschriften.

Berechnung des Lebenszyklus. R717-Kälteanlage – Projektdaten.

NH3-Kälteanlage
Jährliche “Umschlagsstunden” (Personal für das Be- und Entladen und andere Tätigkeiten):	3.840h
Verbleibende Stunden pro Jahr im “Wartungs”-Regime	4.920h
Kühlleistung	1.200 kW
Stündliche Nennleistungsaufnahme der Kompressoren	325 kW
Durchschnittliche jährliche Leistungsaufnahme der Kompressoren im Betriebsmodus	230 kW
Stündliche Nennleistungsaufnahme der Hilfsgeräte (Ventilatoren, Pumpen, elektrischer Widerstand usw.)
Durchschnittliche stündliche Leistungsaufnahme der Hilfseinrichtungen im Betriebsmodus	38 kW
Durchschnittliche stündliche Leistungsaufnahme der Kompressoren im Wartungsmodus (4.920h)	120 kW
Durchschnittliche stündliche Leistungsaufnahme der Hilfseinrichtungen im Wartungsmodus (4.920h)	22 kW
Lebenszyklus berücksichtigt	15 Jahre
Aktuelle Kosten für Strom	0,11€/kWh
Jährlicher Anstieg der Energiepreise	3%
Durchschnittliche Stromkosten über 15 Jahre	0,14€/kWh
Durchschnittliche Verzinsung des Geldes	5% p.a.
Jährliche Wartungskosten für die Kälteanlage	4% des Kaufpreises

Berechnung des Lebenszyklus. R717-Kälteanlage – Wirtschaftliche Analyse.

Kosten verteilt über 15 Jahre
Frühere Studien: 30.000 €.	2.000€
Komplette Kälteanlage 940.000 € mit Zinsen	90.562€
Hilfseinrichtungen für die Kälteanlage 180.000€ (Strom, Wasser, Druckluft, etc.)	17.342€
Durchschnittliche jährliche Energiekosten über die 15 Jahre: 1.631.280 kW-h x 0,14€/kW	228.379€
Betriebskosten der Kälteanlage (1 Bediener 20% der Zeit)	6.600€
Wartungskosten (Kälte- und Hilfsanlagen)	3.000€
Umweltkosten	2.000€
Stilllegungskosten (60.000 €/15)	4.000€
Jährliche Gesamtkosten	353.883€
Anteil des Stromverbrauchs am Gesamtverbrauch: 65 %.

Vorsichtsmaßnahmen bei der Kühlung mit Ammoniak

Vorbeugende Maßnahmen sind unerlässlich, um den zuverlässigen Betrieb von Geräten während ihrer gesamten Lebensdauer zu gewährleisten und gleichzeitig sicherzustellen, dass sie mit maximaler Effizienz arbeiten:

Es ist obligatorisch, die vorbeugende Wartung mit einem zugelassenen Unternehmen zu vereinbaren, was laut RD 552/2019 für niveaugleiche Anlagen obligatorisch ist.
Die Wartung muss gemäß der vom Hersteller zur Verfügung gestellten Gebrauchsanweisung durchgeführt werden. Es darf nicht vergessen werden, dass die Nichteinhaltung der Häufigkeit und/oder des Umfangs der Inspektionen zum Verlust der Garantien führen kann und darüber hinaus den Grundsatz des vorbeugenden Handelns missachtet (Gesetz 31/1995 und RD 486/1997).
In den letzten Jahren hat die Zahl der Fälschungen in der Kälteindustrie spürbar zugenommen, und es obliegt dem Benutzer, die Vorlage eines vom Originalhersteller ausgestellten Zertifikats oder eines gleichwertigen Zertifikats zu verlangen, um die Einhaltung der gegebenenfalls geltenden nationalen und internationalen Rechtsvorschriften zu gewährleisten.

Darüber hinaus ist es im Hinblick auf die Sicherheit im Arbeitsbereich wichtig, die erforderlichen Sicherheitsmaßnahmen zu ergreifen, um sicherzustellen, dass im Falle eines unerwarteten Ereignisses während des Produktionsprozesses die Anlage sicher ist und eine übermäßige Exposition von Ammoniak gegenüber der Umwelt vermieden werden kann, was zu Problemen mit größeren Auswirkungen auf die Integrität des Arbeitsbereichs sowie zum Verlust des Produkts führen könnte. Andererseits handelt es sich um ein Gas mit einem charakteristischen Geruch, der leicht zu erkennen ist.

Geltende Vorschriften

Da Ammoniak ein Kältemittel ist, das seit 1876 in Kompressionsanlagen verwendet wird, wurde eine Reihe von Normen und Vorschriften entwickelt, um die bestmögliche Sicherheit für Mensch, Umwelt und gelagerte Produkte zu gewährleisten. In der Europäischen Union ist die von allen Mitgliedstaaten anerkannte Norm EN 378 “Kälteanlagen und Wärmepumpen. Sicherheits- und Umweltanforderungen”, die sich an der internationalen Sicherheitsnorm ISO 5149 orientiert. In die EN 378 wurden unter anderem folgende Neuerungen aufgenommen:

Teil 1: Einführung der Brennbarkeitsklasse 2L. Eine Methode zur Berechnung der Füllmenge auf der Grundlage der Kältemittelklassifizierung und die Hinzufügung von zwei neuen alternativen Methoden.
Teil 2: Änderungen der Flussdiagramme, die für die Bestimmung der Anforderungen an Schutzeinrichtungen verwendet werden.
Teil 3: Änderungen der Anforderungen an Maschinenräume.
Teil 4: Vorkehrungen für den Umgang mit Ammoniakdampf.

Allerdings hat jedes Land seine eigenen Regeln und Vorschriften.

In Europa werden die für Ammoniak-Kälteanlagen geltenden Vorschriften hauptsächlich durch die Richtlinie 2014/68/EU über Druckgeräte und die Richtlinie 2009/29/EG über die Begrenzung der Emissionen von fluorierten Treibhausgasen geregelt.

Die Richtlinie 2014/68/EU legt Auslegungs-, Herstellungs-, Inspektions- und Konformitätsanforderungen für Druckgeräte, einschließlich Kälteanlagen mit Ammoniak als Kältemittel, fest. Diese Anforderungen zielen darauf ab, die Sicherheit und Unversehrtheit der Geräte zu gewährleisten und Unfälle zu vermeiden.

Andererseits zielt die Richtlinie 2009/29/EG darauf ab, die Emissionen von fluorierten Gasen zu verringern, darunter viele der in Kälteanlagen verwendeten synthetischen Kältemittel. Dies kann die Wahl umweltfreundlicherer alternativer Kältemittel wie Ammoniak in Kälteanlagen beeinflussen.

Einige der bestehenden Vorschriften in anderen Gebieten sind zum Beispiel:

Vereinigte Staaten:
- Clean Air Act (Titel VI): Regelt die Emissionen von fluorierten Gasen, einschließlich der in Kühlsystemen verwendeten Kältemittel.
- Occupational Safety and Health Administration (OSHA): Legt Arbeitssicherheitsstandards für den Umgang mit Ammoniak in Arbeitsumgebungen fest.
Kanada:
- Kanadisches Umweltschutzgesetz: Regelt den Umgang mit und die Emissionen von gefährlichen Stoffen, einschließlich Kältemitteln wie Ammoniak.
- Provinziale Vorschriften zur Arbeitssicherheit: Können zusätzliche Anforderungen für den sicheren Umgang mit Ammoniak in Arbeitsumgebungen festlegen.
Australien:
- Chemical Control Act: Regelt den sicheren Umgang mit gefährlichen Chemikalien, einschließlich Ammoniak.
- Staatliche Vorschriften zur Sicherheit am Arbeitsplatz: Legen Anforderungen für den sicheren Umgang mit Ammoniak in Arbeitsumgebungen fest.
Japan:
- Chemical Substance Control Law: regelt den sicheren Umgang mit gefährlichen Chemikalien, einschließlich Ammoniak.
- Verordnungen des Ministeriums für Wirtschaft, Handel und Industrie (METI): Kann zusätzliche Anforderungen für den sicheren Umgang mit Kältemitteln festlegen.