Kältemittel R744

Aufgrund der wachsenden Besorgnis über die schädlichen Auswirkungen, die fluorierte Kältemittel auf die Umwelt haben können, haben natürliche Kältemittel ein Comeback erlebt, insbesondere die Kältemittel R744 (CO2) und R717 (NH3), die für industrielle Zwecke bei niedrigen Temperaturen verwendet werden. In diesem Beitrag geht es um CO2-Kältemittel.

Kohlendioxid (CO2), allgemein bekannt als R-744, hat sich in letzter Zeit zu einem der beliebtesten natürlichen Kältemittel entwickelt, obwohl diese Technologie nicht neu ist, da sie bereits vor über einem Jahrhundert verwendet wurde..

Die Beliebtheit, die CO2 in letzter Zeit als Kältemittel erlangt hat, ist auf seine sehr geringen Auswirkungen auf die Umwelt im Vergleich zu den FKW (Fluorkohlenwasserstoffen) zurückzuführen, die durch die derzeitigen Vorschriften bedroht sind (F-Gas). CO2 schädigt die Ozonschicht nicht (Ozonabbaupotential ODP = 0) und hat einen geringen Einfluss auf die globale Erwärmung (Global Warming Potential GWP = 1), wobei dieser letzte Wert als Referenz für die Bestimmung des GWP anderer Gase dient. Die hohe Effizienz dieses Gases bedeutet auch, dass es einen geringeren indirekten Beitrag zur globalen Erwärmung der Erde leistet.

Was ist das Kältemittel R744?

CO2 wurde bereits vor dem Aufkommen der Freone als Kältemittel verwendet, kam aber aufgrund seiner größeren technologischen Komplexität schnell außer Gebrauch. Es hat hervorragende thermophysikalische Eigenschaften, obwohl es aufgrund seiner niedrigen kritischen Temperatur (30,978 °C) und der hohen Drücke Schwierigkeiten bereitet. Es hat eine viel höhere volumetrische Kapazität als herkömmliche Kältemittel.

Dieses Gas hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Gasphasendichte, was zu einem guten Wärmeübergang in Verdampfern, Kondensatoren und Gaskühlern führt; diese Eigenschaften ermöglichen eine kleinere Geräteauswahl im Vergleich zu denen, die FCKW, HFCKW und HFKW verwenden. Da es einen geringen Druckabfall hat, können auch kleinere Rohrdurchmesser verwendet werden.

Das Kältemittel R744 ist eine gute Alternative für die Kälteerzeugung

CO2 ist eine gute Alternative für die gewerbliche und industrielle Kühlung, doch müssen bestimmte Sicherheitsmaßnahmen beachtet werden. Es muss berücksichtigt werden, dass CO2 nicht geruchlich wahrgenommen werden kann. Da es dichter als Luft ist, kann es den Sauerstoff bis zu gesundheitsschädlichen Grenzen verdrängen. Da es keinen Geruch abgibt, kann es sein, dass der Techniker ein Leck nicht entdecken kann, wenn es vorhanden ist. Aufgrund dieser Eigenschaften ist es unerlässlich, der Lecksuche besondere

Aufmerksamkeit zu widmen, über ein Alarmsystem zu verfügen, das das Vorhandensein von CO2 rechtzeitig erkennt und warnt, sowie ein Notlüftungssystem zu haben.

Außerdem führt der hohe Druck des Gases bei einem Leck zu einer Explosion, bei der Kältemittelspritzer mit Rückständen in fester Form bei sehr niedriger Temperatur und Schallgeschwindigkeit entstehen. Bitte beachten Sie, dass CO2 niemals in flüssiger Form eingefüllt werden darf, wenn der Druck in der Anlage unter dem Tripelpunkt (5,2 bar) liegt. In diesem Fall würde die in das System eintretende Flüssigkeit plötzlich ihren Zustand ändern, sich in Trockeneis verwandeln und in diesem Zustand im System verbleiben..

Im Gegensatz zu anderen natürlichen Kältemitteln lässt sich CO2 nicht an jede beliebige Anlage anpassen, weder an alte noch an aktuelle. Die Anlagen müssen für die Eigenschaften dieses Gases und für die hohen Drücke, denen es standhalten muss, ausgelegt sein. Schließlich hat CO2 gegenüber den Kohlenwasserstoffen den Vorteil, dass es in Anlagen ohne Füllmengenbegrenzung eingesetzt werden kann.

 

Welche Geschichte hat das Kältemittel R744?

 Kältemittel R744 o CO2 ist seit den Anfängen der Menschheit bekannt und existiert in der Atmosphäre in einer Konzentration von 0,04 Volumenprozent.

Als Kältemittel wurde es bereits im 19. Jahrhundert in der mechanischen Kältetechnik eingesetzt. Im Jahr 1881 baute Carl Linde die erste Maschine mit R744. Später wurden Kompressoren für den Betrieb mit R744 und zweistufige Systeme entwickelt. Seine Verwendung wurde immer weiter verbreitet.

Nach dem Ersten Weltkrieg wurden synthetische Gase entwickelt, die es ermöglichten, weniger robuste Elemente mit höherer Effizienz zu verwenden. Damit begann der Niedergang von CO2 als Kältemittel, das von FCKW-Gasen abgelöst wurde. FCKW-Kältemittel beherrschten 50 Jahre lang den Weltmarkt, bis 1974 festgestellt wurde, dass die Verwendung dieser Stoffe die Ozonschicht schädigt. Daraufhin wurden HFKW-Kältemittel entwickelt, die auch heute noch verwendet werden. Sie tragen jedoch zur globalen Erwärmung bei, weshalb ihre Verwendung eingeschränkt ist.

 

Warum erwägen wir den Einsatz von R744 oder CO2 in Kühlsystemen?

Infolge des Kyoto-Protokolls, das von der UN-Rahmenkonvention zur Bekämpfung des Klimawandels vereinbart wurde, sollen die Emissionen von sechs Treibhausgasen (CO2 , CH4, N2O, HFC, PFC und SF6) reduziert werden.

 

Zu den Maßnahmen und Verordnungen, die zur Erreichung dieser Ziele erlassen wurden, gehört die F-Gas-Verordnung aus dem Jahr 2006, die später noch weiter verschärft wurde. Ihr Ziel ist es, die FKW-Gasemissionen bis 2030 auf ein Drittel zu reduzieren.

Um diese Ziele zu erreichen, wurden auf europäischer Ebene Verwendungsbeschränkungen und Verbote festgelegt. Gleichzeitig wurden auf staatlicher Ebene Steuern auf die Verwendung von Kältemitteln erhoben, um die Verwendung anderer Kältemittel mit geringeren Umweltauswirkungen zu fördern.

Die meisten Kältemittel mit GWP-Werten < 150 sind entflammbar (HFO), giftig (NH3) oder arbeiten mit hohen Drücken (R744 – CO2).

 

Thermodynamische Eigenschaften von R744 oder CO2

Der Hauptunterschied zwischen R744 und anderen Kältemitteln ist der Betriebsdruck, bei dem es arbeitet. Dies macht es jedoch zu einem Gas mit hoher Dichte, was zu einer größeren Kühlwirkung bei einer geringen zirkulierenden Masse führt.

 

Die Verdampfungsenthalpie pro verdrängtem Kubikmeter (kJ/m3) ist viel höher als bei anderen Gasen. Dies führt zu kleineren Verdrängungsvolumen und kleineren Rohrdurchmessern.

 

Druck-Enthalpie-Diagramm (log P-h) (Mollier-Diagramm)

Bei der Arbeit mit CO2 für die Kälteerzeugung muss ein erweitertes P-h-Diagramm verwendet werden, d. h. zusätzlich zu den Standardbereichen Dampf, Flüssig-Dampf und Flüssigkeit, die im Mollier-Diagramm jedes herkömmlichen Kältemittels zu sehen sind, müssen auch der Bereich unterhalb des kritischen Punktes (überkritische Phase) und die Bereiche unterhalb des Tripelpunktes dargestellt werden.

Das folgende Diagramm zeigt den physikalischen Zustand von CO2 in Abhängigkeit vom Druck (P) und der Enthalpie (h). Durch die Veränderung dieser beiden Variablen erhält man vier klar differenzierte Phasen: fest, flüssig, dampfförmig und überkritisch; sowie drei weitere Zwischenbereiche von Zweiphasengemischen: fest-flüssig, fest-dampfförmig und flüssig-dampfförmig.

Im Vergleich zu anderen Kältemitteln fällt auf, dass selbst bei sehr niedrigen Temperaturen hohe Sättigungsdrücke erreicht werden (z.B. 0°C ⟹ 35 bar). Bitte beachten Sie die folgenden Punkte aus dem Phasendiagramm:

• Kritischer Punkt: 30,98°C und 73,77 bar ⟹ Phasenübergang ohne Kondensation
• Tripelpunkt: -56,56°C und 5,187 bar ⟹ Die flüssige Phase kann nur bei einem Druck über 5,187 bar existieren, dann entsteht bei der Ausdehnung der Flüssigkeit bei einem niedrigeren Druck Trockeneis (fest).

Mollier-Diagramm zur allgemeinen Verwendung in der Kältetechnik

Zur Darstellung von Kältemaschinenkreisläufen wird üblicherweise ein vereinfachtes Mollier-Diagramm verwendet, in dem der Bereich, der Feststoff oder Fest-Flüssig (linker Bereich) enthält, und der Bereich unterhalb des Tripelpunkts (< 5,2 bar) nicht dargestellt sind. Daher wird das Diagramm für den allgemeinen Gebrauch in der Kältetechnik nur durch die Bereiche dargestellt, die Flüssigkeit und Dampf (oder Flüssig-Dampf) enthalten, was dem Diagramm jedes anderen Kältemittels im täglichen Gebrauch sehr ähnlich ist, jedoch mit viel höheren Drücken: Die Möglichkeit, unterhalb des kritischen Punktes zu arbeiten oder nicht, bestimmt die Art des Aggregats und die Betriebsart, was zu völlig unterschiedlichen Systemen führt. In luftgekühlten Kälteanlagen mit Umgebungstemperaturen unter ca. 25°C kann in einem unterkritischen Kreislauf gearbeitet werden, während bei höheren Temperaturen ein transkritischer Kreislauf erforderlich ist.

Was geschieht im kritischen Bereich?

Wenn wir uns dem kritischen Punkt nähern, tendieren die Dichten der Flüssigkeit und des Dampfes zum gleichen Wert, wobei der Unterschied zwischen Flüssigkeit und Dampf verschwindet, wenn der kritische Punkt erreicht ist. Es entsteht ein Bereich mit hoher Dichte.

Die Möglichkeit, unterhalb des kritischen Punkts zu arbeiten oder nicht, bestimmt die Art des Geräts und die Betriebsweise, was zu völlig unterschiedlichen Systemen führt. Bei luftgekühlten Kühlaggregaten mit Umgebungstemperaturen unter ca. 25°C ist es möglich, in einem unterkritischen Kreislauf zu arbeiten, während bei höheren Temperaturen ein transkritischer Kreislauf erforderlich ist.

Die häufigsten Anwendungen, die Vor- und Nachteile sowie die Vorschriften für CO2 oder R744 als Kältemittel

Häufigste Anwendungen von Kältemittel R744:

• Gewerbliche und industrielle Kältetechnik.
• Transportkühlung.
• Kompakte Systeme.
• Supermärkte.
• Direkte, kaskadierte und indirekte Systeme.

 Die Vorteile der Verwendung von CO2 oder R744 als Kältemittel:

• ODP = 0, GWP = 1.
• Es ist nicht brennbar.
• Hohe Leistung, niedriger Energieverbrauch.
• Es hat einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten.
• Es hat keine Langzeitnebenwirkungen.
• Dieses Gas hat eine geringe Toxizität (es ist nur in hohen Konzentrationen gefährlich).
• Es ist kostengünstig, und es besteht kein Risiko der Veralterung.
• Hohe Verfügbarkeit, da es bei verschiedenen Prozessen als Nebenprodukt anfällt.
• Es kann mit POE-, PAG- und PVE-Schmierstoffen gemischt werden.

Nachteile der Verwendung von CO2 oder R744 als Kältemittel:

• Es funktioniert bei höheren Temperaturen und Drücken als HFKW und andere Kältemittel.
• Bei Leckagen sammelt sich CO2 am Boden und verdrängt die Luft; da es geruchlos ist, kann es nicht durch Geruch wahrgenommen werden.
• CO2 ist nur für neue Anlagen geeignet. Da es sich um ein Kältemittel mit hohem Druck und niedriger kritischer Temperatur handelt, eignet es sich nicht für die Umrüstung bestehender Anlagen mit fluorierten Kältemitteln.
• Die Systemkosten sind hoch.

CO2-Vorschriften, die zu berücksichtigen sind:

• Verordnung (EU) Nr. 1005/2009 des Europäischen Parlaments über Stoffe, die zum Abbau der Ozonschicht führen.
• Verordnung (EU) Nr. 517/2014 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 16. April 2014 über fluorierte Treibhausgase. “F-Gas-Verordnung”.
• Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC 60335-2-89). Kältemittelfüllung in Kühlmöbeln.