Umweltfreundlich und energiesparend

Das Low-GWP-Kältemittel HFO 1234 yf eignet sich als Bestandteil zur Formulierung von Blends, die bei verringertem GWP ähnliche thermodynamische Eigenschaften ermöglichen wie R 404 A. Zwei Ansätze wurden untersucht. Der erste bestand in der Entwicklung eines nicht entflammbaren Kältemittelgemisches mit dem geringst- möglichen GWP-Wert von ∼ 1 400. Es eignet sich für große Supermarktsysteme sowie zum Retrofit bestehender R 404 A-Systeme, bei denen nicht entflammbare Kältemittel erforderlich sind.

Beim zweiten Ansatz wurde ein Gemisch entwickelt, das den geringstmöglichen GWP-Wert (zum Beispiel ∼ 250) hat, aber schwer entflammbar gemäß ASHRAE A2L-Einstufung ist. Es eignet sich für neue Sy­steme mit kleineren Kältemittelfüllmengen, bei denen gemäß Industrienormen oder -standards eine schwache Entflammbarkeit toleriert werden kann. Beide Ansätze werden mittels thermodynamischer Kreisprozessberechnungen sowie experimenteller Tests in einem gewerblichen Gefrierschrank sowie einer Verflüssigereinheit mit Kühl­insel untersucht. Verschiedene Parameter werden gemessen und mit den für R 404 A gemessenen Werten verglichen, zum Beispiel Energieverbrauch, Drücke und Temperaturen sowie Massenstrom.

Unterschiedliche Entflammbarkeit

Das Kältemittel DR 7 hat mit ca. 250 einen um 94 Prozent geringeren GWP-Wert als R 404 A. DR 7 ist schwach entflammbar (ASTM E 681-04 2004) und unterliegt Einschränkungen beim Einsatz in Systemen mit großen Füllmengen. Das Kältemittel DR 33 dagegen ist nicht entflammbar (ASTM E 681-04 2004) und weist mit ca. 1 400 einen um 65 Prozent geringeren GWP-Wert als R 404 A auf. Damit liegt sein GWP-Wert auch unter dem anderer R 404 A-Alternativen wie R 407 A (36 Prozent geringerer GWP) und R 407 F (23 Prozent geringerer GWP). Die Leistungseigenschaften beider Kältemittelgemische wurden mithilfe eines für R 404 A ausgelegten gewerblichen Gefrierschranksuntersucht. Zudem wurde DR 33 auch in einer Verflüssiger­einheit getestet, die ebenfalls für R 404 A ausgelegt wurde.

Thermodynamische Eigenschaften und Kälteleistung

Tabelle 1 zeigt die thermophysikalischen Eigenschaften von DR 7 und DR 33 im Vergleich mit R 404 A. Alle drei Substanzen haben einen ähnlichen Siedepunkt, wobei die kritische Temperatur von DR 7 und DR 33 über der von R 404 A liegt. Dampfdrücke und Flüssigkeitsdichten sind ebenfalls vergleichbar. Die Dampfdichten von DR 7 und DR 33 liegen geringfügig unter der von R 404 A, was einen verringerten Massenstrom zur Folge hat.

Mithilfe thermodynamischer Kreisprozessberechnungen wurden die thermodynamischen Eigenschaften von DR 7, DR 33 und R 404 A ermittelt. Die angenommenen Be-dingungen entsprechen denen des getesteten Tiefkühlschranks bei 32 °C Umgebungstemperatur: Verdampfungstemperatur = 26 °C, Verflüs­sigertemperatur = 43 °C, Flüssigkeits­unterkühlung = 14 K, Sauggastemperatur = 4 °C, isentroper Wirkungsgrad des Verdichters = 75 Prozent. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst.

DR 7 und DR 33 weisen vergleichbare Drücke und Verdichtungsverhältnisse auf wie R 404 A. Sie haben einen höheren Temperaturgleit als R 404 A; dieser ist jedoch vergleichbar mit anderen kommerziell verfügbaren und im Einsatz befindlichen Kältemitteln. So weist das seit vielen Jahren erfolgreich eingesetzte R 407 C unter diesen Bedingungen einen Temperaturgleit von 4,8 K auf. Die Druckgastemperaturen liegen ebenfalls geringfügig über dem Wert für R 404 A, während die Kälteleistung und die Energieeffizienz nahezu identisch sind mit R 404 A.

Test im gewerblichen Tiefkühlschrank

Um die Leistungseigenschaften von DR 7 und DR 33 in einem Kältesystem zu bestimmen, wurde ein für R 404 A ausgelegter zweitüriger, 1,5 m³ fassender Tiefkühlschrank (Bild 1) ausgewählt, mit Messvorrichtungen versehen und in einem konstant temperierten Raum platziert. Die Kältemittelfüllmenge beträgt 1,15 kg. Der Tiefkühlschrank hat einen Hubkolbenverdichter mit Poly­olesteröl (POE) mit 32 cSt als Schmiermittel. Der Versuchsaufbau wurde so gewählt, dass er AHAM-Standard HRF-1-2008 (Energy and Internal Volume of Refrigerating Appliance, AHAM 2008) so nahe wie möglich kommt. Die Verwendung von ANSI/ASHRAE-Standard 72 war nicht möglich, da während des Tests ein Öffnen und Schließen der Türen nicht vorgesehen war. Der Tiefkühlschrank wird über zwei thermostatische Expansionsventile (TXV) gesteuert.

Der leere Tiefkühlschrank (gemäß AHAM HRF-1-2008) wurde in einem gleichmäßig temperierten Raum platziert und mit Messinstrumenten für Temperaturen (T), Drücke (P), Massenstrom (M) und Energieverbrauch (W) wie in Bild 2 ausgestattet. Obwohl die Norm (Abschnitt 5.3.2) keine Überwachung der Luftfeuchtigkeit in der Testkammer vorsieht, wurde der Test bei allen Bedingungen für jedes der Kälte­mittel dreimal wiederholt, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse reproduzierbar sind und nicht durch Veränderungen der Luftfeuchtigkeit beeinflusst werden.

Die Tests wurden bei drei verschiedenen Umgebungstemperaturen durchgeführt: 32 °C wie von der Norm vorgesehen sowie zusätzlich bei 24 °C und 21 °C. Zunächst wurden die Referenzwerte für R 404 A bei drei verschiedenen Umgebungstemperaturen ermittelt. Die Überhitzung am Verdampferaustritt wurde mithilfe des TXV jeweils auf 3 bis 4 K eingestellt. Die Überhitzung wurde anhand des Saugdrucks und der am Verdampferaustritt gemessenen Temperatur berechnet. Die durchschnittliche Innentemperatur des Tiefkühlschranks (Durchschnittswert von vier Thermoelementen, die im Innenraum verteilt sind) wurde konstant bei 17 °C gehalten. Um die Solltemperatur im Innenraum zu halten, durfte sich der Verdichter ein- und ausschalten. Die Temperaturen und Drücke wurden nur abgelesen und dann gemittelt, wenn der Kompressor lief. Nach diesem Test wurde R 404 A zunächst durch DR 7, dann durch DR 33 ersetzt. Dazu wurde das System lediglich gespült, um das Schmiermittel zu entfernen und anschließend mit POE-Schmiermittel desselben Typs wieder aufzufüllen. Weitere Veränderungen am System wurden nicht vorgenommen. Lediglich die Überhitzung am Verdampferaustritt wurde mithilfe der TXV so eingestellt, dass die Werte von R 404 A erreicht wurden. Für beide Kandidaten wurden die TXV um eine Umdrehung zugedreht. Tabelle 3 fasst die Testergebnisse im Beharrungszustand zusammen.

Die Testergebnisse für den Tiefkühlschrank haben ergeben, dass DR 7 und DR 33 ähnliche Leistungseigenschaften wie R 404 A haben. Beide zeigen bei höheren Umgebungstemperaturen eine verbesserte Energieeffizienz: Bei 32 °C lag der Energieverbrauch von DR 7 um 8 Prozent, von DR 33 um 4 Prozent niedriger. Bei niedrigeren Umgebungstemperaturen zeigte DR 7 immer noch eine um 3 bis 5 Prozent verbesserte Energieeffizienz, während der Energieverbrauch von DR 33 identisch zu R 404 A war. Der Massenstrom war geringfügig niedriger, während die Druckgastemperatur leicht höher war. Dennoch lagen die Druckgastemperaturen noch unter einem Wert von 125 °C, oberhalb dessen üblicherweise eine Flüssigkeitseinspritzung erforderlich ist. Die Überhitzung am Verdampfer und die Verdichtung für beide Kältemittel sind vergleichbar mit R 404 A.

Test in einer Tiefkühlinsel mit externer Verflüssigereinheit

Um die Leistungseigenschaften von DR 33 in einem R 404 A-System zu bestimmen, wurde eine 2,5 m lange Tiefkühlinsel mit externer Verflüssigereinheit ausgewählt. Beide wurden mit Messvorrichtungen versehen und in zwei konstant temperierten Räumen platziert. Im Raum der Tiefkühlinsel (Bild 3) herrschten Innenraumtemperaturen, während im Raum der Verflüssigereinheit (Bild 4) Außentemperaturbedingungen simuliert wurden. Die Tiefkühlinsel wurde komplett mit Messpaketen befüllt.

Die Kältemittelfüllmenge beträgt 3,8 kg. Aufgrund der Flüssigkeitsdichte wurde die Kältemittelfüllmenge für DR 33 geringfügig angepasst. Die Verflüssigereinheit enthält einen Hubkolbenverdichter mit POE (32 cSt) als Schmiermittel. Der Versuchsaufbau entsprach den Anforderungen nach ASHRAE- Standard 72-2005. Die Tests wurden bei zwei verschiedenen Temperaturen im Raum der Verflüssigereinheit (35 °C und 28 °C) sowie bei konstanter Temperatur von 24 °C im Raum der Tiefkühlinsel durchgeführt.

Zunächst wurden die Referenzwerte für R 404 A bei beiden Außentemperaturen unter Tief- und Normalkühlbedingungen ermittelt. Danach wurde R 404 A durch DR 33 ersetzt. Dafür wurde das Sy­stem gespült, um das Schmiermittel zu entfernen und anschließend mit POE desselben Typs wieder aufzufüllen. Weitere Veränderungen am System wurden nicht vorgenommen. Lediglich die Überhitzung am Verdampferaustritt wurde mithilfe der TXV so eingestellt, dass die Werte von R 404 A erreicht wurden. Dafür wurden die TXV um 1,6 Umdrehungen geschlossen. Tabelle 4.1 fasst die Testergebnisse im Beharrungszustand für Tiefkühlung zusammen, Tabelle 4.4 die für Normalkühlung.

Die Testergebnisse für die Tiefkühlinsel mit Verflüssigereinheit haben ergeben, dass DR 33 ähnliche Leistungseigenschaften wie R 404 A hat, sowohl unter Tiefkühl- als auch Normalkühlbedingungen. Vor allem bei höheren Außentemperaturen ermöglicht DR 33 eine verbesserte Energieeffizienz. So lag der Energieverbrauch mit DR 33 bei Tiefkühlung um 3 bis 4 Prozent niedriger, bei Normalkühlung um 8 bis 12 Prozent. Der Saugdruck war in beiden Fällen mit R 404 A identisch, während der Verdichtungsdruck jeweils unter den Werten für R 404 A lag. Der Massenstrom war geringfügig kleiner, die Druckgastemperatur geringfügig höher. Dennoch lagen die Druckgastemperaturen für DR 33 noch unter einem Wert von 125 °C, oberhalb dessen üblicherweise eine Flüssigkeitseinspritzung erforderlich ist. Die Überhitzung am Verdampfer und die Verdichtung waren ebenfalls vergleichbar mit R 404 A.

Fazit

Es wurden zwei neue Low-GWP-Kältemittel entwickelt, die R 404 A in der Gewerbekälte ersetzen können. Das erste, DR 7, hat mit ca. 250 einen um 94 Prozent geringeren GWP-Wert als R 404 A. Es ist schwer entflammbar (2L) und unterliegt Einschränkungen beim Einsatz in Systemen mit größeren Füllmengen, zum Beispiel in Supermärkten. Es eignet sich für Verflüssigereinheiten und steckerfertige Kühl- und Gefriersysteme.

DR 33 ist nicht entflammbar, und sein GWP von 1 400 liegt ca. 65 Prozent unter dem von R 404 A. Es eignet sich für große NK- und TK-Verbundanlagen und andere Systeme, bei denen der Einsatz entflammbarer Kältemittel nicht erwünscht oder beschränkt ist. Es eignet sich ebenfalls als mögliches Retrofit-Kältemittel.

Die Leistungseigenschaften beider Kältemittel wurden in einem für R 404 A ausgelegten steckerfertigen Tiefkühlschrank untersucht, DR 33 zusätzlich in einer Verflüssigereinheit mit Kühlinsel. Gegenüber R 404 A wurde lediglich durch Justierung der TXV die Überhitzung am Verdampferaustritt angepasst, um vergleichbare Daten zu erhalten. Der Energieverbrauch für beide Kältemittel ist identisch mit oder niedriger als bei R 404 A, während andere Leistungs­eigenschaften vergleichbar sind.

Beim Tiefkühlschrank lag der Energieverbrauch für DR 33 und DR 7 bei höheren Umgebungstemperaturen um 4 Prozent bzw. 8 Prozent unter dem Wert für R 404 A. Die Ergebnisse der Verflüssigereinheit mit DR 33 zeigten im Vergleich mit R 404 A einen um 3 Prozent geringeren Energieverbrauch für die Tiefkühlung und sogar 8 bis 12 Prozent für Normalkühlung. Der Einsatz dieser Low-GWP-Kältemittel kann den Umwelteinfluss von Kälteanlagen effizient verringern und einen Übergang von R 404 A mit minimalen Veränderungen ermöglichen. -

https://www.dupont.com/

Literatur

IPCC. 2007. Intergovernmental Panel on Climate Change Fourth Assessment Report Climate Change 2007: Synthesis Report. [Jallow, B. P., L. Kajfez-Bogataj, R. Bojaru, D. Hawkins, S. Diaz, H. Lee, A. Allali, I. Elgizouli, D. Wratt, O. Hohmeyer, D. Griggs, and N. Leary (eds.)]. http://www.ipcc.ch/ipccreports/ar4-syr.htm.

Nielson, O. J., Javadi, M. S., Sulbaek Andersen, M. P., Hurley, M. D., Wallington, T. J., and R. Singh. 2007. Atmospheric Chemistry of CF3CF = CH2: Kinetics and mechanisms of gas-phase reactions with Cl atoms, OH radicals and O3. Chemical Physics Letters, 439 (2007):1822.

SAE. 2009. SAE International Releases Test Results of the Low GWP Refrigerant for Automotive Air Conditioning. https://www.sae.org/servlets/pressRoom?OBJECT_TYPE=PressReleases&PAGE=showRelease&RELEASE_ID=1109 , November 10, 2009.

Senior Engineering Fellow, DuPont Fluoroproducts, USA

Business Development Manager, DuPont Opteon Refrigerants EMEA, Neu-Isenburg