Was sind Kältemittel?

Ein Kältemittel ist nach den Normen EN378-1 oder ISO817 ein "Fluid, das zur Wärmeübertragung in einer Kälteanlage eingesetzt wird und das bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck des Fluids Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt, wobei üblicherweise Zustandsänderungen des Fluids erfolgen". Die Änderungen des Aggregatzustands geschehen dabei u.a. bei Kaltdampfkältemaschinen, die in den genannten Normen und diesem Dokument vorrangig betrachtet werden.

Frühe Kältemaschinen verwendeten Arbeitsstoffe, die dafür bekannt waren, bei Verdampfung oder Verdunstung zu kühlen. Dazu gehörten Ether, Schwefeldioxid (SO₂), Ammoniak (NH₃), Kohlendioxid (CO₂), Methylchlorid (CH₃Cl) und Kohlenwasserstoffe. Die Kohlenwasserstoffe zeigten dabei thermodynamische Eigenschaften, die die Auslegung der Kälteanlagen einfacher machten als bei anderen Kältemitteln. Zudem sind sie ungiftig.

Die Bezeichnung von z.B. Propan als Kältemittel 290 oder R290 oder Ammoniak als R717 nach ISO817 impliziert auch die Anwendbarkeit im Kältemittelkreislauf. Das bedeutet, dass die Bezeichnung R290 eine definierte Reinheit voraussetzt, die thermodynamische Eigenschaften ausreichend genau berechenbar macht und zuverlässigen Betrieb ermöglicht.

Synthetische Kältemittel

Bei der Entwicklung der ersten synthetischen Kältemittel wurde versucht, die thermodynamischen Eigenschaften der Kohlenwasserstoffe zu erreichen, aber die Brennbarkeit zu vermeiden. Ein Austausch der Wasserstoffanteile bei Kohlenwasserstoffen durch Halogene (vorrangig Chlor und Fluor, teilweise Brom) führte zu den ersten "Sicherheitskältemitteln" R11 und R12, später R22, R13B1 usw. Diese vollhalogenierten Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW) kamen ab 1930 auf den Markt. Die einfache und sichere Handhabung führte in der Gewerbekälte und Hausgerätetechnik innerhalb von 20 Jahren zum Verdrängen aller anderen Stoffe.

Da die Chlor- und Bromanteile stark zum Abbau der Ozonschicht beitragen, sind heutige synthetische Kältemittel überwiegend fluorierte Kohlenwasserstoffe. Die meisten sind teilfluoriert und einige basieren auf einfach ungesättigten Kohlenwasserstoffen wie Propen, einige auf Ethern. Dadurch wird die atmosphärische Lebensdauer verkürzt und das Treibhauspotenzial reduziert.

Wasser als Kältemittel

R718 Wasser ist in Kaltdampfkältemaschinen grundsätzlich als Kältemittel geeignet. Aufgrund des hohen Tripelpunktes bei 0,01°C und des sehr niedrigen Dampfdrucks im Temperaturbereich der üblichen Kälte- und Wärmepumpentechnik ist es jedoch für Standardanwendungen nicht interessant. Für Hochtemperaturwärmepumpen, Prozesskühlung und Rechenzentrumkühlung wird es eingesetzt. Wegen der niedrigen volumetrischen Kälteleistung sind typischerweise sehr hohe Volumenströme notwendig. In diesem Dokument wird R718 nicht näher behandelt.

Kältemittel für andere Kreisprozesse – Gaskälteprozesse

In Gaskältemaschinen wird ein Gas deutlich über der kritischen Temperatur eingesetzt, im ganzen Prozess wird es gasförmig bleiben. Genutzt wird die Erwärmung beim Verdichten und die Abkühlung beim Entspannen mit Entzug mechanischer Arbeit. Gaskältemaschinen haben daher meist außer dem Verdichter eine Entspannungsmaschine, d.h. einen Expander.

Die Kältemaschine benötigt ein Gas, das eine große Temperaturänderung bei diesen Vorgängen hat, also einen hohen Isentropenkoeffizienten. Gut geeignet als Kältemittel sind R704 Helium und R729 Luft.

Bekannte Gaskältemaschinen sind Stirlingmaschinen und Kaltluftkältemaschinen:

Eine Stirlingmaschine arbeitet typischerweise mit Helium.
Die Kaltluftmaschine kann als geschlossener Kreislauf arbeiten, aber auch als offener Kreislauf, bei dem die Luft des zu kühlenden Raumes abgesaugt, verdichtet, gegen die Umgebung gekühlt und nach dem Expander dem Raum wieder zugeführt wird.

Wenn die Temperaturen der kalten Seite nahe an der Umgebungstemperatur sind, gelten Gaskälteprozesse als nicht ganz so energieeffizient wie Kaltdampfprozesse. Bei Temperaturen unterhalb von etwa -50°C können sie – je nach Anwendung – energetisch vorteilhaft sein. Bei Luft setzt dies meist einen offenen Kreislauf voraus. Dabei lassen sich große Temperaturdifferenzen mit niedrigen bis moderaten Druckverhältnissen erreichen.

Bei höheren Nutztemperaturen kann der Einsatz sich als energetisch sinnvoll zeigen, wenn mehr als nur die Kälteanlage bilanziert wird, wie z.B. bei der Flugzeugklimatisierung, bei der der Energieverbrauch zum Transport der Anlage mit betrachtet wird.

Auf Kältemittel für Gaskälteprozesse wird in diesem Dokument nicht näher eingegangen.