Kältemittelvergleich zu R22 − Betriebsbedingungen und Anlagengestaltung

Bei der Auswahl und Bewertung eines Kältemittels für die Umstellung sind Betriebsbedingungen und Anlagengestaltung zu berücksichtigen. Die Vergleiche ergeben etwas unterschiedliche Aussagen, abhängig davon, ob es sich um Normalkühlung oder Tiefkühlung handelt und ob die Anlage mit innerem Wärmeübertrager, mit Economiser oder ohne diese Optionen gestaltet ist.

Der Vergleich von Leistungsdaten in der BITZER SOFTWARE sollte jeweils bei der tatsächlich ausgeführten Konfiguration und den Auslegungsbedingungen gemacht werden.

Kältemittelkreislauf im p,h-Diagramm

Kältekreislauf im p, h-Diagramm (R134a, Standardbedingungen)

Die Abbildung oben zeigt den einfachen Kreislauf mit wenig Überhitzung und Unterkühlung.

Kältekreislauf im p, h-Diagramm (R134a, Ausführung mit Economiser)

Bei Anlagen mit Schraubenverdichtern und Economiser oder zweistufigen Verdichtern mit Flüssigkeitsunterkühler wird die Effizienz deutlich verbessert, wie oben dargestellt.

Kältekreislauf im p, h-Diagramm (R134a, Ausführung mit Innerem Wärmeübertrager (IWT)

Bei Einsatz eines inneren Wärmeübertragers erreicht man Flüssigkeitsunterkühlung durch Aufheizung des Sauggases, siehe Abbildung oben. Die meisten Kältemittel erreichen mit innerem Wärmeübertrager eine Effizienzverbesserung, insbesondere R134a, R404A und R507A.

In Systemen mit Economiser sowie bei 2-stufigen Verdichtern mit Kältemittelunterkühler gilt dies jedoch nur bei Kurzkreisläufen, sofern die Flüssigkeitsseite des Wärmeübertragers zwischen Verflüssiger und Unterkühler eingebunden ist. Bei langen Rohrleitungswegen und üblicher Anordnung des Wärmeübertragers unmittelbar am Verdampfer ist jedoch die Effektivität wegen der bereits sehr stark unterkühlten Kältemittelflüssigkeit stark reduziert.

Dampfdruck

Ein wesentlicher Punkt bei der Umstellung ist der Vergleich des Druckes im Betrieb der Anlage. Die Abbildung unten zeigt die Dampfdruckkurven verschiedener Kältemittel entsprechend dem Taupunkt.

Durch die niedrigeren Druckwerte von R513A, R1234yf, R134a und R450A sind diese typisch für den Einsatz ab -20°C aufwärts geeignet.

Bei der Festlegung des Kältemittels ist darauf zu achten, dass bei den meisten Anlagen ein Betriebsdruck von 28 bar nicht überschritten werden darf!

Dampfdruckkurven verschiedener Kältemittel, Druck in bar über Taupunkttemperatur in °C

Kälteleistung

Beim Vergleich der Kälteleistung bei gleichem Fördervolumenstrom ist die Berücksichtigung der Anlagengestaltung wichtig. In der Abbildung unten ist ein Vergleich im einfachen Kreislauf auf Basis der Kältemittelstoffdaten dargestellt. Gewählt wurden 40°C Verflüssigungstemperatur, 10 K Überhitzung, keine Unterkühlung, variable Verdampfungstemperatur.

Eine Berechnung der Leistung der eingesetzten Verdichter mit den Daten von R22 und vergleichend dazu mit ausgewählten Ersatzkältemitteln in der BITZER SOFTWARE kann eine genauere Aussage geben. Dazu sind auch die Werte für Überhitzung, Unterkühlung usw. realistisch einzugeben.

Theoretischer Vergleich: Kälteleistung über Verdampfungstemperatur in °C, relativ zu R22 bei 40°C Verflüssigung, 10 K Überhitzung, ohne Unterkühlung

Taupunkt und mittlere Temperatur

Die Kältemittel R448A,R449A, R407A, R407C, R407F, R417A, R422A, R422D, R427A, R438A verändern beim Verdampfen und Verflüssigen bei gleichbleibendem Druck über dem Verlauf die Temperatur. Sie haben einen so genannten Temperaturgleit. Bei der Verdampfung liegt er bei etwa 3 bis 6 K, bei Einsatz eines großen inneren Wärmeübertragers oder bei Economiserbetrieb bei bis zu etwa 7 K. Bei der Verflüssigung beträgt der Temperaturgleit etwa 5 bis 8 K.

Bei Anlagen mit großzügig ausgelegten Verdampfern oder Verflüssigern ist die Temperaturdifferenz zwischen Kältemittel und Kälte- oder Wärmeträger nicht groß. Daher kann der Temperaturgleit zu Abweichungen von der erwarteten Leistung oder Effizienz führen. Bei Trockenexpansionsverdampfern muss auch noch die notwendige Temperaturdifferenz für die Überhitzung beachtet werden.

Bei einem Luftkühler, der die Luft nur 5 bis 6 K abkühlt und eine kleine Temperaturdifferenz zur Luft hat, wird der Temperaturgleit dazu führen, dass der Verdampfer etwas schlechter ausgenutzt wird und eventuell am Einspritzende etwas mehr bereift. Dann ist der Vergleich der Kältemittel mit dem Taupunkt als Bezug auf der Saugseite sinnvoll.

Bei Verdampfern mit etwas mehr Temperaturdifferenz und reinem Gegenstrom des Kältemittels zum Kälteträger kann der Vergleich mit Bezug zur mittleren Verdampfungstemperatur sinnvoll sein.

Bei Anlagen mit einem großen Regelbereich für die Kälteleistung, wie bei einem Parallelverbund, wird im unteren Teillastbereich der Temperaturgleit im luftgekühlten Verflüssiger nachteilig, da die Temperaturdifferenz zur Luft und die Aufheizung der Luft klein werden, das Kältemittel jedoch erst am Ende des Temperaturgleits voll verflüssigt ist. Dies betrifft insbesondere Tiefkühlsysteme bei der häufig praktizierten Auslegung der Verflüssiger auf eine geringe Temperaturdifferenz.

Besonders zu beachten ist bei der Bewertung des Anlagenbetriebes, dass die Überhitzung immer im Vergleich zum Taupunkt und die Unterkühlung immer im Vergleich zum Siedepunkt bestimmt wird.

Materialkompatibilität

Die Kältemittel R448A und R449A enthalten Anteile der Kältemittel R1234yf, R448A und R1234ze(E). Diese Kältemittel haben etwas andere Eigenschaften in Bezug auf die Verträglichkeit mit Kunststoff-Dichtwerkstoffen als die Komponenten der bisher üblichen Kältemittelgemische, wie R404A oder R407F. Es ist daher notwendig, von den Herstellern der Anlagenbauteile Aussagen zur Verträglichkeit und damit Verwendbarkeit einzuholen. Bei Kompatibilitätsproblemen können etwa Bauteile undicht werden, sowohl nach außen wie auch Magnetventile intern. Bei quellenden Dichtungen können Regelventile klemmen. Bei weich werdenden Ventilsitzen kann erhöhter Dichtungsverschleiß nach einiger Zeit zu Funktionsstörungen führen.

Bei vielen Bauteilen ist ein problemloser Betrieb mit den neuen Kältemitteln möglich (Kompatibilität der Produkte von BITZER).

Strömungsgeschwindigkeiten

Bei Umstellung einer vorhandenen Anlage auf ein anderes Kältemittel bleibt der Fördervolumenstrom gleich. Damit bleiben auch die Strömungsgeschwindigkeiten in den Ansaugleitungen nahezu gleich. Der Einfluss auf den Öltransport dürfte gering sein. Die Strömungsgeschwindigkeit von R407C, R407A, R407F, R417A, R427A, R438A, R448A, R449A in der Flüssigkeitsleitung wird etwa gleich bleiben. Bei R404A, R507,R422A, R422D sind um 20-60% höhere Strömungsgeschwindigkeiten zu erwarten.

Beim Einsatz von R134a ergibt sich etwa 60%, bei R513A etwa 70% der Strömungsgeschwindigkeit in der Flüssigkeitsleitung.

Einsatzgrenzen und Druckgastemperaturen

Die Kältemittel R134a, R513A und R450A eignen sich für Anwendungen bis hinunter zu -25°C Verdampfungstemperatur.
Für Tiefkühlanwendungen bis -40°C sind die restlichen Alternativen geeignet (Ersatzstoffe).
R404A, R507A und R422A können auch bis -45°C eingesetzt werden.
Für viele Anwendungen im Tiefkühlbereich ist ein Zusatzventilator erforderlich.

t_o	Verdampfungstemperatur [°C]
t_oh	Sauggastemperatur [°C]
Δt_oh	Sauggasüberhitzung [K]
t_c	Verflüssigungstemperatur [°C]
	Zusatzkühlung oder max. 0°C Sauggastemperatur
	Zusatzkühlung und eingeschränkte Sauggastemperatur

Einsatz von Frequenzumrichter VARIPACK

Sollte sich herausstellen, dass die Kälteleistung nach der Umstellung etwas zu gering ist, so kann mit einem Frequenzumrichter der Reihe VARIPACK durch Drehzahlanhebung etwas zusätzliche Leistung gewonnen werden. Für Verdichter der Baureihe ECOLINE sind Leistungsdaten mit Drehzahlregelung mit VARIPACK in der BITZER SOFTWARE vorhanden und passende Frequenzumrichter einfach auswählbar.