Praxis
Umrechnung des Fülldruckes
Frage Bei einer ausgeführten Kaskadenkälteanlage wurde auf dem Typenschild der Fülldruck der Niedertemperaturstufe angegeben und um die dazugehörige Umgebungstemperatur ergänzt. Wie passt man denn diesen Fülldruck an, wenn eine andere Umgebungstemperatur herrscht? Kann man hier mit dem idealen Gasgesetz den Druck auf die andere Temperatur umrechnen?
Antwort Bei der Beantwortung der Frage gehen wir davon aus, dass es sich um den üblichen“ Aufbau einer Kaskadenkälteanlage handelt, d. h. in der Niedertemperaturstufe befindet sich ein Gasexpansionsgefäß, welches das Anlagenvolumen so weit vergrößert, dass sich das Niedertemperaturkältemittel während der Stillstandsphasen gasförmig in der Anlage befindet.
Die Befüllung der Niedertemperaturstufe einer Kaskadenkälteanlage mit der korrekten Füllmasse kann tatsächlich über den Stillstandsdruck bei einer bestimmten Umgebungstemperatur erfolgen.
Da sich der Fülldruck auch nach der Umgebungstemperatur richtet, ist es wichtig, diese ebenfalls mit auf dem Typenschild zu vermerken.
Soll die Befüllung nun bei einer anderen Temperatur erfolgen, so wird eine Umrechnung notwendig. Bei der Verwendung der idealen Gasgleichung entstehen aber Fehler, weil sich viele Kältemittel – insbesondere bei hohen Drücken und/oder kleinen Überhitzungen – nicht wie ein ideales Gas verhalten.
Nun muss aber die Füllmasse bei solchen Anlagen sehr genau dosiert werden. Bei zu geringer Füllmasse wird die Kälteleistung nicht erreicht und bei zu hoher Füllmasse kann es gefährlich werden, weil die sich einstellenden Stillstandsdrücke die maximal zulässige Druckgrenze überschreiten können.
Für die Umrechnung auf andere Umgebungstemperaturen kann man von einer konstanten Dichte bzw. von einem konstanten spezifischen Volumen ausgehen. Da sich sowohl die Füllmasse als auch das Anlagenvolumen nicht verändern werden, muss auch der Quotient aus beiden Größen konstant bleiben. Man kann also im log p, h-Diagramm des Kältemittels ins überhitzte Gebiet gehen und dort den auf dem Typenschild gegebenen Punkt aus Fülldruck und Bezugstemperatur markieren. Nun verfolgt man die Linie konstanter Dichte bzw. konstanten spezifischen Volumens bis zu der gewünschten Temperatur und liest den Druck dort einfach ab. Alternativ kann man natürlich auch die Dampftafeln entsprechend verwenden.
Da auf diesem Wege der Realgascharakter des Kältemittels berücksichtigt wird, verhindert man den Fehler, der sonst bei der Verwendung der idealen Gasgleichung entstehen könnte.
Kältemittel
Welcher Ersatz für R404A?
Frage Ich habe festgestellt, dass das Kältemittel R404A sehr teuer geworden ist. Mein Kältemittellieferant hat mir jetzt sogar mitgeteilt, dass ich ab sofort kein R404A mehr von ihm beziehen kann. Im Fall einer Reparatur bzw. einer Undichtigkeit an einer R404A-Anlage kann ich also nicht mehr nachfüllen und müsste auf ein anderes Kältemittel umstellen. Welche Ersatzstoffe stehen für die Umrüstung von bestehenden R404A-Anlagen zur Verfügung?
Antwort Wie bereits mehrfach an dieser Stelle beschrieben, ist der Hintergrund der derzeitigen Verknappung“ von R404A die Tatsache, dass der Phase-Down laut Verordnung (EU) Nr. 517/2014 für das Jahr 2018 eine Reduktion der GWP-gewichteten Kältemittelmengen auf 63 Prozent des Wertes von 2015 vorsieht. Damit kann der Hersteller/Importeur nur noch eine begrenzte Menge an Kältemitteln auf den Markt bringen.
Ein Ersatzkältemittel“ für bestehende R404A-Tiefkühlanlagen sollte aus unserer Sicht unter anderem folgende Kriterien erfüllen:
Das Kältemittel sollte einen möglichst niedrigen GWP haben.
Es sollte zur Sicherheitsgruppe A1 gehören (keine Flammenausbreitung, geringe Toxizität).
Die Kälteleistung der Anlage sollte möglichst gleich bleiben.
Die bestehenden Komponenten sollten möglichst nicht ausgetauscht werden müssen.
Es sollte kein Ölwechsel erforderlich sein.
Die Kältezahl (Effizienz) sollte sich nicht verschlechtern.
Die Dampfdrucklage sollte ähnlich sein.
Unter diesen Aspekten können als Ersatzstoff für R404A u. a. folgende Kältemittel diskutiert werden (s. Tabelle unten).
Bei allen Kältemitteln handelt es sich um Gemische mit markant hohem Temperaturgleit. Auf die Auswirkungen des Temperaturgleits wird später hingewiesen.
R448A und R449A haben die erkennbar niedrigsten GWP-Werte und sind unter diesem Aspekt bevorzugt zu wählen. R407F hat zwar ähnliche Leistungswerte, hier wirkt sich der höhere GWP-Wert und die höhere Verdichtungsendtemperatur gegenüber R448A und R449A allerdings nachteilig aus.
R448A und R449A haben etwa gleiche Kälteleistungen wie R404A und können da-her gut als Austauschkältemittel verwendet werden. Beide Kältemittel haben markant höhere Verdichtungsendtemperaturen als R404A. Daher ist es erforderlich, die Eignung des vorhandenen Verdichters zu prüfen. Sowohl die grundsätzliche Freigabe (gegebenenfalls auch bezüglich des Kältemaschinenöls) als auch die oft erforderliche Zusatzkühlung des Verdichters sind mit dem Hersteller zu klären. Unter Umständen kann bei eingeschränkter Saugdampfüberhitzung der Verdichter ohne Zusatzkühlung betrieben werden. Aufgrund der etwas höheren Kältezahl kann das Kältemittel R448A für die beispielhaft genannten Bedingungen empfohlen werden.
Da die Kälteleistung des Verdichters gegenüber R404A praktisch gleich ist, kann der Verdampfer – sofern dieser auf die Leistung abgestimmt war – übernommen werden. Bei gleicher mittlerer Verdampfungstemperatur im Verdampfer wird sich durch den Temperaturgleit im Verdampfer tendenziell ein etwas größeres Überhitzungsverhältnis einstellen. Die Wärmeübertragungseigenschaften von R448A sind geringfügig ungünstiger als bei R404A. Dadurch reduziert sich die Leistungsfähigkeit des Verdampfers. Der Verdampfungsdruck wird sich daher etwas absenken, was zur Folge hat, dass sich die Kälteleistung von Verdichter und Verdampfer ebenfalls reduziert.
Die erkennbar höhere Kältezahl des Verdichters hat andererseits zur Folge, dass der Verflüssiger entlastet wird. Weiterhin wirkt sich der Temperaturgleit im Verflüssiger positiv aus, sodass sich der Verflüssigungsdruck wiederum etwas niedriger einstellen wird als bei dem Betrieb mit R404A. Die daraus resultierende Erhöhung der Verdichterkälteleistung wirkt dem vorher beschriebenen negativen Einfluss des Temperaturgleites im Verdampfer positiv entgegen.
Zusammengefasst kann davon ausgegangen werden, dass sich die Leistung der Anlage nicht wesentlich verringert. Bei hinreichend dimensionierter Kälteleistung für den Betrieb mit R404A kann also davon ausgegangen werden, dass mit R448A das gleiche Kühlergebnis erzielt wird. Die geringfügig niedrigere Verdampfungstemperatur wirkt sich im Tiefkühlbereich nicht gravierend auf das Kühlgut aus.
Durch die günstigere Kältezahl kann, je nach Aufbau der Kälteanlage, mit Betriebskosteneinsparungen gerechnet werden.
Die Eignung des thermostatischen Ex-pansionsventils (TEV, Düsengröße und Fühlerfüllung) muss mit dem Hersteller besprochen werden. Mit hoher Wahrscheinlichkeit ist das TEV zu wechseln. In Ausnahmefällen kann, je nach Fühlerfüllung und Verstellbereich des TEV, das Ventil belassen werden.
Gleitkältemittel“ dürfen nur aus der flüssigen Phase der Kältemittelflasche in die Kälteanlage gefüllt werden. Es ist daher ratsam, im Rahmen des Filtertrockner-Wechsels in der Flüssigkeitsleitung einen Füllstutzen (Ventil) nachzurüsten. Hierdurch besteht die Möglichkeit, die Kälteanlage komplett über die Flüssigkeitsleitung zu befüllen.
Häufig werden von Komponenten- oder/und Kältemittelherstellern Checklisten zur Verfügung gestellt, die detaillierte Informationen zu Kältemittelumstellungen enthalten. Dabei sind die individuellen Gegebenheiten der Anlagen zu berück- sichtigen.
Online-archiv
Fußnoten
1 Aus beispielhaften Mittelwerten von halbhermetischen Verdichtern bei: Verdampfungstemperatur: 26 °C, Überhitzung im Verdampfer: 6,5 K, Überhitzung in der Saugleitung: 10 K, Verflüssigungstemperatur: 45 °C, Unterkühlung: 2 K.
