Kältetechnik
Umstellung einer R 22-Kälteanlage auf R 407F
Frage Ich plane die Umstellung einer Kälteanlage zur Tiefkühlung von R 22 auf das Kältemittel R 407 F. Wie verhält sich dieses in Bezug auf die vorhandenen Komponenten? Kann die erforderliche Kälteleistung noch erbracht werden?
Antwort Grundsätzlich ist bei jeder Kältemittelumstellung auf die Materialeignung der eingesetzten Dichtungswerkstoffe zu achten. Gegebenenfalls sind die entsprechenden Dichtungen zu erneuern. Die Komponentenhersteller geben hier umfangreiche Hinweise. Auch bezüglich erforderlicher Ölwechsel ist auf die Herstellerangaben zu achten. Filtertrockner und Schauglas sind zu erneuern (Kältemitteleignung!).
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass Kältemittel mit Temperaturgleit nur flüssig aus dem Behälter entnommen werden dürfen. Um das Kältemittel auch flüssig in die Anlage füllen zu können, ist im Rahmen des Filtertrockner-Wechsels zu empfehlen, einen Füllanschluss in die Flüssigkeitsleitung einzubauen. Weiterhin ist es ratsam, eine Wartung sowie eine Dichtheitskontrolle durchzuführen.
Hinsichtlich der Kälteleistung kann festgestellt werden:
1 R 22-Verdichter können in der Regel verwendet werden. Je nach Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur sowie Sauggastemperatur am Verdichtereintritt, kann der Zusatzventilator zur Verdichterkühlung sogar entfallen, da die Verdichtungsendtemperatur niedriger wird (siehe Verdichterdatenblatt!).
Die Verdichterkälteleistung wird nach der Umstellung je nach Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur steigen. Beispielsweise ist bei einer Verdampfungstemperatur von 28 °C und einer Verflüssigungstemperatur von 32 °C (Jahresmittel) mit einer Erhöhung der Verdichterkälteleistung von bis zu 8 Prozent zu rechnen. Die Auswirkung auf die sich einstellende Verdampfungstemperatur und die effektive Leistungserhöhung kann nur mit Näherungsverfahren ermittelt werden. Siehe Punkt 2.
2 An dem für R 22 ausgelegten Verdampfer wird sich, aufgrund der höheren Verdichterkälteleistung, die mittlere Temperaturdifferenz vergrößern, was zur Reduzierung der Verdampfungstemperatur und der effektiven Anlagenkälteleistung führt.
Beispiel (Betrachtung vereinfacht ohne Überhitzung): Ist der Verdampfer für eine mittlere Temperaturdifferenz von 6 K ausgelegt worden (R 22-Basis), so wird sich aufgrund der höheren Verdichterkälteleistung (hier 8 Prozent) die mittlere Temperaturdifferenz um rund 8 Prozent auf rund 6,5 K vergrößern.
Die mittlere Verdampfungstemperatur verringert sich also um 0,5 K auf 28,5 °C. R 407 F hat in dieser Verdampfungstemperaturlage – bei einer Flüssigkeitstemperatur von 30 °C – ein wirksames Temperaturgleit von etwa 3 K. Demnach beginnt die Verdampfung dann bei etwa 30 °C und endet bei etwa 27 °C. Die mittlere (wirksame) Verdampfungstemperatur liegt dann etwa bei 28,5 °C. Die Kälteleistung reduziert sich daher um etwa 3 Prozent.
Nach dem Abgleich von Verdichter- und Verdampferleistungsfähigkeit ergibt sich eine Reduzierung der mittleren Verdampfungstemperatur um weniger als 0,5 K und eine Erhöhung der Anlagenkälteleistung um etwa 5 Prozent.
3 Die Verflüssigerbelastung wird sich nach der Umstellung erhöhen, da sowohl die Verdichterkälteleistung als auch dessenAufnahmeleistung – im Vergleich zu R 22 – größer geworden sind. Für die unter 2. ermittelte neue“ Verdampfungstemperatur ergibt sich eine um etwa 5 Prozent höhere Verflüssigerbelastung, was auch hier eine Vergrößerung der Temperaturdifferenz am Verflüssiger zur Folge hat. Eine Erhöhung der Verflüssigungstemperatur ist hier jedoch nur im Auslegungsfall relevant. War der Verflüssiger – bei maximaler Verflüssigungstemperatur für R 22 – beispielsweise für eine mittlere Temperaturdifferenz von 10 K ausgelegt, erhöht sich die Verflüssigungstemperatur um lediglich 0,5 K. Dies hat eine Reduzierung der Anlagenkälteleistung von 1,5 Prozent zur Folge. Der Einfluss auf die Verdampferbelastung und die erneute Betriebspunktverschiebung, wird hier nicht weiter dargestellt und kann praktisch vernachlässigt werden.
4 Expansionsventil (thermostatisch) TEV“
Tabelle 1 zeigt die Sättigungsdrücke der Kältemittel R 22 und R 407 F in Abhängigkeit von der Temperatur im Anwendungsbereich Tiefkühlung. Es ist zu erkennen, dass die Drücke von R 407 F bezogen auf die rechte Grenzkurve (Taupunkt“) geringfügig unter denen von R 22 liegen. Dadurch wird das TEV etwas weiter öffnen und die Überhitzung im Vergleich zu R 22 etwas kleiner.
Bei richtig dimensionierter Düsengröße können die R 22-Ventile grundsätzlich verwendet werden. Die Überhitzung könnte bei Bedarf um den genannten Differenzbetrag erhöht werden.
Tabelle 2 zeigt die für die Leistung des TEV verantwortlichen Parameter: nutzbare Enthalpiedifferenz h“ und die am Expansionsventil zur Verfügung stehende Druckdifferenz p“.
Der ähnlichen Enthalpiedifferenz stehen größere Druckdifferenzen gegenüber. Es ist mit einer Leistungssteigerung gegenüber R 22 zu rechnen. Tendenziell werden sich unter diesem Aspekt kleinere Überhitzungen einstellen. Grundsätzlich können die R 22-Düsen beibehalten werden, gegebenenfalls ist die Überhitzung zu vergrößern.
In diesem Zusammenhang ist zu empfehlen, vor der Umstellung folgende Daten zu erfassen:
Verdampfungsdruck
Raumtemperatur
Überhitzung im Verdampfer
Verflüssigungsdruck
Lufteintrittstemperatur (Verflüssiger)
Unterkühlung
Stromaufnahme des Verdichters
Nach der Umstellung sind die oben genannten Messungen zu wiederholen. Soweit möglich, sollte dies bei gleichen Randbedingungen erfolgen, um Vergleiche anstellen zu können.
Achtung: Im Falle einer großzügig dimensionierten R 22-Düse könnte dies bei hohen Verflüssigungsdrücken nach der Umstellung zu sehr kleinen Überhitzungen und möglicherweise zu instabilem Regelverhalten des TEV kommen! In diesem Fall ist die Düse kleiner zu wählen. Es ist daher ratsam, vor der Umstellung die Leistung der vorhandenen Düse für den R 407 F-Einsatz gemäß den Herstellerangaben zu kontrollieren.
Fazit: Grundsätzlich kann eine R 22-Kälteanlage für Tiefkühlung auf R 407 F umgestellt werden. Die Komponenten können ohne große Veränderung der Betriebspunkte übernommen werden. Die Kälteleistung wird geringfügig steigen. Im Grenzfall kann es dazu kommen, dass die Düse des thermostatischen Expansionsventils kleiner zu wählen ist.
Hinweis: Für R 22-Kälteanlagen, die im Pluskühlbereich arbeiten und auf R 407 F umgestellt werden, können die angegebenen Daten und Aussagen nicht ver-wendet werden. Hier muss eine betriebspunktabhängige Betrachtung angestellt werden. Insbesondere bei Anlagen für Pluskühlräume mit hohen Feuchteanforderungen ist eine genaue Berechnung erforderlich.
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