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Während die Diskussion um Ersatzkältemittel für R12 inzwischen weitgehend abgeschlossen ist, gibt es für die Substitution von R22 und R502 noch eine Vielzahl von Alternativkältemitteln, die jeweils spezifische Vor- und Nachteile aufweisen. Das liegt vor allem daran, daß kein reiner Stoff verfügbar ist, der im Vergleich zu den Substituenten ähnliche oder bessere thermodynamische Eigenschaften aufweist sowie weder toxisch noch brennbar ist.

In Tabelle 1 sind die bisher kommerziell verfügbaren Kältemittel für den Bereich der gewerblichen Kältetechnik aufgelistet. In Anlagen mit großen Füllmengen, oder weitverzweigten Versorgungsnetzen sieht man derzeit vom Einsatz brennbarer Kältemittel ab (Ausnahme Ammoniak). Deshalb werden diese Komponenten mit nichtbrennbaren Stoffen (R125, R134a) gemischt.

Diese Mischungen können nach dem Abstand der Normalsiedepunkte zu eng- und weitsiedenden Gemischen charakterisiert werden. Engsiedende bzw. azeotrope Gemische verhalten sich quasi wie Reinstoffe, d.h. der isobare Phasenwechsel (Verdampfung / Kondensation) erfolgt isotherm. Diese sind daher besonders dort einzusetzen, wo die Wärmeübertragung gegen ein Medium mit konstanter Temperatur (z.B. Luftgekühlter Verflüssiger, im Kreuzstrom) stattfindet.

Weitsiedende Gemische R407A,B,C können bevorzugt dort eingesetzt werden, wo die Wärmeübertragung gegen ein Medium mit variabler Temperatur (z.B. Kälteträger im Gegenstrom) stattfindet.

Tabelle 1: Stand der verfügbaren Kältemittel
(chlorfrei, ODP=0, Tb-Bereich -60° bis -10°C )

Name

Komponenten
Gew.%
brennbar
GWP/kg CO2
Tb,n / °C
Td,n / °C
Td,26 / °C

R744

CO2

.

-

1

-56.6

-56.6

 

R410A

R32-R125

50-50

-

1890

-51.8

-51.8

43.1

R32

Difluormethan

.

ja

580

-51.4

-51.4

41.6

R125

Pentafluorethan

.

-

3200

-48.3

-48.3

50.9

R1270

Propen

.

ja

3

-47.8

-47.8

61.2

R143a

Tetrafluorethan

.

ja

4400

-47.2

-47.2

54.9

R507

R125-R143a

50-50

-

3800

-47.2

-47.2

56.8

R407B

R32-R125-R134a

10-70-20

-

2560

-47.0

-42.5

55.1

R404A

R125-R143a-R134a

44-52-4

-

3750

-46.7

-45.8

55.0

R407A

R32-R125-R134a

20-40-40

-

1920

-45.4

-38.7

58.8

R290

Propan

.

ja

3

-42.1

-42.1

70.1

R407C

R32-R125-R134a

23-25-52

-

1610

-43.9

-36.7

61.3

R717

NH3

.

ja

0

-33.3

-33.3

59.5

RC270

Cyclopropan

.

ja

3

-32.9

-32.9

81.3

R134a

Tetrafluorethan

.

-

1300

-26.5

-26.5

79.1

R152a

Difluorethan

.

ja

140

-24.2

-24.2

84.6

R227ea

Heptafluorpropan

.

-

3300

-16.5

-16.5

95.8

R600a

Isobutan

.

ja

3

-11.8

-11.8

115.0

Tb,n = Siedepunkt bei 101.3kPa
Td,n = Taupunkt bei 101.3 kPa
Td26 = Taupunkt bei 2600 kPa
Berechnet mit Karlsruher-Berliner-Prozess-Berechnungs-Paket (K-BP²)
(mit Zustandsgleichnung nach Peng-Robinson, angepasßt für Kältemittel)

Einsatzbereich der Ersatzstoffe

Im nästen Bild sind die Einsatzgrenzen einiger Ersatzstoffe für R22 und R502 dargestellt.
a) Limitierung der Verflüssigungstemperatur durch die Druckstufe PN25
b) Limitierung der Verdampfertemperatur durch den Umgebungsdruck.

 

Theoretische Untersuchungen

Derzeit werden am Institut systematische theoretische Untersuchungen an Gemischen aus den chlorfreien Komponenten R32 (Difluormethan), R134a (1,1,1,2-Tetrafluorethan), R125 (Pentafluorethan) und R143a (1,1,1-Trifluorethan) durchgeführt. Aus den theoretischen Kreisprozeßberechnungen werden Empfehlungen für den Einsatz von Kältemittelgemischen erarbeitet.


Bild 1: COP/qov-Chart zur Ermittelung der Leistungsfähigkeit eines ternären Gemisches (am Beispiel R32-R125-R134a)

Siehe auch Veröffentlichungen ITTK/ Bereich Kältetechnik

Experimentelle Untersuchungen

Zur Zeit werden am Kompressionskältemaschinenprüfstand (Bild2) des Institutes die folgenden chlorfreien Kältemittel untersucht:

Messungen mit anderen Kältemitteln, verschiedenen Kompressoren sowie Stabilität von Dichtungsmaterialien und Maschinenölen können auf Anfrage durchgeführt werden.


Bild 2: Anlagenschema des Prüfstandes