Kältemittelvergleich zu R404A/R507A − 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
Die Abbildung oben zeigt den einfachen Kreislauf mit wenig Überhitzung und Unterkühlung.
Bei Anlagen mit Schraubenverdichtern und Economiser oder zweistufigen Verdichtern mit Flüssigkeitsunterkühler wird die Effizienz deutlich verbessert, wie oben dargestellt.
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.
Die Kältemittel R404A und R507A liegen nah bei einander. Ein wenig darunter liegen R448A und R449A, in dieser Abbildung nicht zu unterscheiden. Deutlich niedriger liegen die Kältemittel R513A, R1234yf, R134a und R450A. Die aufgeführten Kältemittel können alle ohne Schwierigkeiten mit dem maximalen Betriebsdruck der Anlage eingesetzt werden. Die etwas niedriger liegenden Druckwerte von R448A und R449A deuten auf etwas weniger Kälteleistung hin, zumindest bei Betrachtung des Taupunktes. Durch die niedrigeren Druckwerte von R513A, R1234yf, R134a und R450A sind diese typisch für den Einsatz oberhalb von -20°C geeignet.
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.
Die Kälteleistung von R507A liegt etwa 2 bis 3% über der von R404A, siehe dicke Strichpunktlinie. Bei Bezug auf den Taupunkt als Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur liegt die Kälteleistung von R448A und R449A etwa 2 bis 4% unter der von R404A, siehe dicke gestrichelte und gepunktete Linien. Kann der Temperaturgleit der Kältemittel genutzt werden, so kann der Bezug auf die mittlere Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur angewandt werden. Dann liegt die Kälteleistung von R448A und R449A in einem solchen Kreislauf etwa 1 bis 2% über der von R404A, siehe Linien mit Rauten.
Der Vergleich von Verdichterleistungsdaten kann etwas von den Kurven abweichen. Durch den niedrigeren Saugdruck können die Leistungsdaten von R448A und R449A bei Tiefkühlung noch 2 bis 5% tiefer liegen, je nach Ausführung des Verdichters.
Bei Anlagen mit hoher nutzbarer Überhitzung, z. B. 20°C Ansaugtemperatur durch große innere Wärmeübertrager, nimmt der Unterschied etwas zu. R404A und R507A gewinnen stärker durch nutzbare Überhitzung als R448A und R449A. Dann liegt die Kälteleistung von R448A und R449A bei Tiefkühlung und Bezug auf Taupunkt bis zu 10% unter R404A. Bei Bezug auf mittlere Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur liegt die Kälteleistung jedoch nur etwa 5% unter der von R404A.
Bei Tiefkühlanlagen mit Unterkühlung durch Economiserbetrieb ist das Verhältnis der Leistungen ähnlich wie bei innerem Wärmeübertrager. Die Kälteleistung mit R448A und R449A liegt je nach Verdampfungstemperatur etwa 10% unter der von R404A. Die Kälteleistung der Kältemittel R134a, R513A und R1234yf liegt im Normalkühlbereich bei etwa 60% der Leistung von R404A.
Die Kälteleistung von R450A liegt bei etwas über 50%. Diese Kältemittel können in Frage kommen, wenn die Kälteanlage deutlich mehr Leistung mit R404A liefert als der Bedarf aktuell ist. Da die Fließgeschwindigkeit in der Flüssigkeitsleitung und die Dampfdichte in Saug- und Druckgasleitungen (Einfluss auf Druckabfall) niedriger sind und Verdampfer sowie Verflüssiger „relativ größer‟ werden, kann auch eine Erhöhung der Kälteleistung erreicht werden, auf zum Beispiel 70% und mehr. Dazu könnte ein Frequenzumrichter oder ein weiterer Verdichter im Verbund in Frage kommen. Eine Nachberechnung der Saug- und Druckgasleitungen mit Blick auf den Druckabfall ist dazu jedoch notwendig.
Eine Berechnung der Leistung der eingesetzten Verdichter mit den Daten von R404A oder R507A und vergleichend dazu mit R448A oder R449A in der BITZER SOFTWARE kann eine genauere Aussage geben. Dazu sind auch die Werte für Überhitzung, Unterkühlung usw. realistisch einzugeben.
Taupunkt und mittlere Temperatur
Die Kältemittel R448A und R449A 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 4 K, bei Einsatz eines großen inneren Wärmeübertragers oder bei Economiserbetrieb bei bis zu etwa 5 K. Bei der Verflüssigung beträgt der Temperaturgleit etwa 5 bis 6 K.
Bei Anlagen mit großzügig ausgelegten Verdampfern oder Verflüssigern ist die Temperaturdifferenz zwischen Kältemittel und Kälte- oder Wärmeträger nicht groß. Daher kann der Temperaturgleit dann 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 in etwa gleich. Damit bleiben auch die Strömungsgeschwindigkeiten in den Ansaugleitungen nahezu gleich. Durch den etwas niedrigeren Ansaugdruck sowie unterschiedliche Stoffeigenschaften von R448A und R449A im Vergleich zu R404A ist die Dichte im Sauggas niedriger. Der Einfluss auf den Öltransport dürfte gering sein. Der Massenstrom wird bei gleichem Fördervolumenstrom nur etwa 65 % bis 70 % betragen. Da die Dichte der Flüssigkeit etwa 5% höher ist, sinkt also die Strömungsgeschwindigkeit in der Flüssigkeitsleitung auf etwa 65% ab, was dort aber eher vorteilhaft ist.
Beim Einsatz von R450A ergibt sich etwa 35%, bei R513A etwa 45% und bei R1234yf etwa 50% der Strömungsgeschwindigkeit in der Flüssigkeitsleitung.
Einsatzgrenzen und Druckgastemperaturen
Die Einsatzgrenzen von R448A und R449A reichen aufgrund des niedrigeren Dampdruckes nur bis etwa -40°C hinab, während R404A und R507A bis -45°C reichen. Nach oben sind die Grenzen etwa gleich.
Die Druckgastemperatur von R448A und R449A ist bis zu 20 K höher als die von R404A, jedoch niedriger als z.B. von R407A und R407F. Dadurch kann der Einsatz einer Zusatzkühlung notwendig werden. Eine Druckgastemperaturüberwachung wird empfohlen. Ein Zusatzventilator oder eine Kältemitteleinspritzung lässt sich bei Bedarf nachrüsten.
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.
Einsatz von R134a und dessen Nachfolgekältemitteln
Wird bei der Bestandsaufnahme (Notwendige Vorbereitungen), festgestellt, dass die installierte Kälteleistung in einer Normalkühlanlage deutlich zu hoch ist, kann eine Umstellung auf andere Kältemittel sinnvoll sein. Das kann z.B. durch Nachrüsten von Glastüren an Kühlregalen verursacht sein.
Wenn der Bedarf bei etwa 60% der installierten Leistung mit R404A liegt, so kann die Leistung auch mit R134a oder den Nachfolgekältemitteln R450A oder R513A erbracht werden. Diese Kältemittel sind nicht brennbar. Die beiden letzten haben einen GWP von 601 und 631 und werden daher länger in Mengen am Markt verfügbar sein. In Anlagen, in denen der Einsatz von brennbaren Kältemitteln dann in einigen Jahren möglich ist, kann später auch auf R1234yf mit GWP 4 umgestellt werden.