Ammoniak ist seit Jahrzehnten ein häufig verwendetes Kältemittel, vor allem in der Industrie und für große Leistungen. Es ist nicht ozonschichtschädigend und trägt auch nicht zur Verstärkung des Treibhauseffektes bei. Aber es ist toxisch und brennbar. Bisher mussten aus Korrosionsschutzgründen Anlagenkomponenten in Stahl ausgeführt sein. Neuere Untersuchungen zeigen, dass unter bestimmten Randbedingungen auch Kupfer- und Aluminiumwerkstoffe einsetzbar sind.Die thermodynamischen Eigenschaften machen eine Reihe technisch anspruchsvoller Komponentenentwicklungen erforderlich, die insbesondere der breiteren Anwendung im Gewerbebereich noch entgegenstehen. Und auch die Sicherheit erfordert besondere Maßnahmen. Um Menschen und Kühlgut nicht zu gefährden, kann der Verdampfer häufig nicht direkt an das Kühlgut geführt werden. Der Wärmetransport erfolgt dann über einen Sekundärkreislauf.
R723 (NH3/DME) als Alternative zu NH3
Die zuvor beschriebenen Erfahrungen beim Einsatz von NH3 in gewerblichen Kälteanlagen mit Direktverdampfung waren Anlass für weitergehende Untersuchungen auf Basis von NH3 unter Zusatz Einer öllöslichen Kältemittelkomponente.Wesentliche Ziele dabei waren einen Verbesserung des Öltransportverhalten und der Wärmeübertragung mit konventionellen Schmierstoffen sowie einen reduzierte Druckgastemperatur für den erweiterten Anwendungsbereich mit einstufigen Verdichtern.Das Resultat dieses Forschungsprojekts ist ein Kältemittelgemisch aus NH3(60%) und Dimethylether „DME“
(40%), das vom Institut für Luft-und Kältetechnik, Dresden (ILK) entwickelt wurde und inzwischen in einer Reihe von realen Anlagen getestet wird. Als überwiegend anorganisches Kältemittel erhielt es entsprechend der üblichen Kältemittelnomenklatur wegen seiner mittleren Molmasse von 23 kg/kmol die Bezeichnung R723.DME wurde auf Grund seines guten Löslichkeitsvermögens und der hohen Eigenstabilität als Zusatzkomponente ausgewählt. Es hat einen Siedepunkt von -26°C, einen relativ niedrigen Adiabatenexponenten, ist nicht toxisch und steht technisch in hoher Reinheit zur Verfügung. NH3 und DME bilden in der genannten Konzentration ein azeotropes Gemisch mit einem leichten Druckanstieg gegenüber reinem NH3. Der Siedepunkt liegt bei -36.5°C (NH3 -33,4°C), 26 bar (abs.) Verflüssigungsdruck entsprechen 58.2°C (NH3 59.7°C).Die Druckgastemperatur im Klima- und Normalkühlbereich reduziert sich um etwa 10 bis 25 K und ermöglicht dadurch eine Erweiterung des Anwendungsbereichs hin zu höheren Druckverhältnissen. Auf Basis thermodynamischer Berechnungen ergibt sich in der Kälteleistung ein Anstieg im einstelligen Prozentbereich gegenüber NH3. Die Leistungszahl liegt ähnlich und ist – experimentell bestätigt – bei hohen Druckverhältnissen sogar günstiger. Auf Grund des geringeren Temperaturnnivaus bei der Verdichtung ist davon auszugehen, dass zumindest bei Hubkolbenverdichtern mit5 zunehmendem Druckverhältnis auch ein verbesserter Liefer- und Gütegrad zu erwarten ist.Bedingt durch das höhere Molekulargewicht von DME steigen Massenstrom und Dampfdichte gegenüber NH3 um nahezu 50% an, was aber bei gewerblichen Anlagen, zumal in Kurzkreislaufen, weniger von Belang ist. In klassischen Großkälteanlagen ist dies jedoch ein wesentliches Kriterium, u.a. mit Blick auf Druckabfälle und Kältemittelzirkulation. Auch aus dieser Sicht wird deutlich, dass R723 bei gewerblichen Anwendungen und insbesondere im Bereich von Flüssigkeitskühlsätzen seinen bevorzugten Einsatzbereich hat.Die Materialverträglich ist mit NH3 gleich zu setzten. Obwohl unter der Voraussetzung eines minimalen Wassergehalts (< 1000 PPM) im System auch Buntmetalle (z.B. CUni-Legierungen, Bronzen, Hartlote)potentiell einsetzbar sind, empfiehlt sich dennoch eine Systemausführung entsprechend typischer Ammoniak-Praxis.Als Schmierstoffe können Mineralöle oder (bevorzugt) Poly-Olefine zum Einsatz kommen. Wie zuvor erwähnt. Bewirkt der DME-Anteil eine verbesserte Öllöslichkeit und partielle Mischbarkeit.
Von positivem Einfluss auf die lzirkulation ist außerdem die relativ niedrige Flüssigkeitsdichte und eine erhöhte Konzentration von DME im zirkulierenden Öl. PAG-Öle wären mit R723 zwar in üblichen Anwendungsbereich voll oder weitgehend mischbar, sind aber aus Gründen der chemischen Stabilität und hohen Löslichkeit im Ölsumpf des Verdichters (starke Dampfentwicklung in Lagern) nicht zu empfehlen. Test wurde auch nachgewiesen, dass die Wärmeübergangskoeffizienten bei Verdampfung und hohen Wärmestromdichten mit R723/Mineralöl-Systemen deutlich höher liegen als NH3 und Mineralöl .Zu den weiteren Eigenschaften gehören Toxizität und Brennbarkeit. Durch den DME-Anteil verringert dind die Zündgrenze in Luft von 15 auf 6%, dennoch bleibt das Azeotrop in der Sicherheitsgruppe B2.
Propan ( R290 )
In industriellen Kälteanlagen ist Propan ein seit Jahren eingesetztes Kältemittel. Als Ersatz für R502 und auch für das seit 1.1.2000 in Neuanlagen verbotene R22 findet Propan in der Wärmepumpentechnik breite Anwendung. Propan schädigt die Ozonschicht nicht und besitzt nur ein sehr geringes Treibhauspotenzial.Drucklagen und Kälteleistung liegen ähnlich wie bei R502 und R22. Da keine korrosive Wirkung gegen Kupfer besteht, sind Kupferwerk-
stoffe einsetzbar, die auch halbhermetische und hermetische Verdichter ermöglichen. Die leichte Entflammbarkeit des Propans macht allerdings zusätzliche sicherheits-technische Vorkehrungen erforderlich.
Kohlendioxid ( R744 )
Der Einsatz von Kohlendioxid als Kältemittel hat eine lange Tradition. Mit der Einführung von „Sicherheitskältemitteln“ in den 1950er Jahren wurde der Einsatz von CO2 jedoch immer weiter vom Kältemittelmarkt gedrängt. Da Kohlendioxid über kein Ozonabbaupotential verfügt, wurde es in den letzten Jahren wieder zu einer gefragten Alternative. Gerade bei niedriger Umgebungstemperatur verfügt CO2 über günstige thermodynamische Eigenschaften. Heute wird sich insbesondere beim Bau von Supermarktklimaanlagen wieder vermehrt für den Einsatz von Kohlenstoff entschieden. Auch für Automobilhersteller ist Kohlendioxid als natürliches Kältemittel (R744) in PKW-Klimaanlagen zur Alternative geworden, vor allem durch die EU-Richtlinie 2006/40/EG, nach der ab 1. Januar 2011 Hersteller neue Pkw-Typen nur noch verkaufen dürfen, wenn die Klimaanlage Kältemittel enthält, die deutlich weniger klimaschädlich sind als R134a .Die hohe Drucklage macht speziell ausgelegte Anlagenkomponenten – Verdichter und Wärmetauscher – nötig. Andererseits erlaubt die sehr hohe volumetrische Kälteleistung einen sehr geringen Volumenstrom, der kleine Rohrquerschnitte und eine kompakte Bauweise ermöglicht. Kohlendioxid wird in industriellen Kaskadenkälteanlagen für den Anwendungsbereich von 10 bis 50 °C in der unteren Stufe eingesetzt, z. B. in Verfahren zur Schockgefrierung.Die Prozessführung ist unterkritisch, günstig aus energetischer Sicht und erfolgt bei Drücken, bei denen auf verfügbare Komponenten zurückgegriffen werden kann. Bei den meisten transkritischen Anwendungen kann die CO2 -Verwendung allerdings noch nicht als Stand der Technik bezeichnet werden, obwohl es auch hier durchaus Einsatzgebiete wie z. B. Brauchwassererwärmung oder Trocknungsprozesse gibt, bei denen der Einsatz energetisch durchaus vorteilhaft ist.