Verantwortlich für den Wärmeaustausch zwischen dem Innenraum und der äußeren Umgebung.

In früheren Ausgaben haben wir bereits über verschiedene Komponenten von Kühlanlagen gesprochen: Kompressor, Verdichter, Verdampfer und Entspannungsorgane. Jetzt ist es an der Zeit, über die Kältemittel zu sprechen.

In Geräten, die auf der Basis von mechanischer Dampfkompression arbeiten, umfasst der Kühlkreislauf die Änderung des Aggregatzustands des Kältemittels: vom flüssigen in den gasförmigen und vom gasförmigen in den flüssigen Zustand. Diese Änderungen des Aggregatzustands laufen in den Betriebszyklen von Kühlanlagen ab.

Diese Substanzen müssen auch die Kriterien für Brennbarkeit, Toxizität, Umweltauswirkungen und Leistung erfüllen. Auf diese Weise werden Kältemittel ausgewählt.

Wenn der Kühlvorgang beginnt, befindet sich das Kältemittel im gasförmigen Zustand und unter Niederdruck. Das Kältemittel kommt aus dem Verdampfer, aus dem es die Wärme entfernt hat, als es seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig geändert hat, es tritt dann durch die Ansaugöffnung in den Kompressor ein.

Der Kompressor erhöht den Druck und die Temperatur des Gases, dadurch wird es zum Kompressor getrieben, wo das Kältemittel durch den Luft-Wärme-Austausch erneut flüssig wird.

Wenn es das Entspannungsorgan (Kapillarrohr oder Expansionsventil) passiert, wird das Kältemittel bei Niederdruck erneut flüssig, dies geschieht bereits innerhalb der Umgebung, die abgekühlt werden soll, im Verdampfer.  Beim Austritt aus dem Verdampfer kehrt das Kühlmittel in den Kompressor zurück und der Zyklus beginnt von Neuem und setzt sich unbegrenzt fort. 

 

Verschiedene Kältemittelarten

 Verschiedene Substanzen wurden als Kältemittel verwendet, bis – um 1930 – FCKWs (Fluorchlorkohlenwasserstoffe) wie R12 aufkamen. Viele Jahre wurden sie aufgrund ihrer technischen Eigenschaften und der Tatsache, dass sie keine direkte Giftigkeit oder Brennbarkeit aufweisen, als die ideale Lösung betrachtet. 

Aber Jahrzehnte später erkannten die Wissenschaftler, dass diese Substanzen direkt für den Abbau der Ozonschicht verantwortlich sind, die die Sonnenstrahlung filtert und für das Leben auf der Erde von grundlegender Bedeutung ist. Diese Entdeckung führte zu einem internationalen Abkommen, um die Verwendung dieser Substanz zu kontrollieren und Ziele für einen schrittweisen Verzicht aufzustellen. Das Montreal-Protokoll hat schließlich für das Ende der weltweiten FCKW-Produktion gesorgt.

Damit begann auch die Suche nach Alternativen. Unter den synthetischen Kältemitteln waren das vor allem die Folgenden:

• H-FCKWs (teilhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe) wie R22,
• H-FKW (teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe) wie R134a,
• Gemische, die Mischungen verschiedener Kältemittel sind, wie:

– Mischungen von H-FCKWs und H-FKWs: R401a, R401b, R409

– Mischungen nur von H-FKWs: R404A, R407C, R410A, R508b.

H-FCKWs sind weit verbreitet und noch heute kann man zum Beispiel Kälteanlagen mit R22 finden. H-FCKWs schädigen jedoch die Ozonschicht durch ihr ODP (Ozonabbaupotenzial) (siehe unten stehenden Kasten).

H-FKWs dagegen schädigen zwar die Ozonschicht nicht, unterliegen jedoch Einschränkungen aufgrund einer anderen negativen Eigenschaft: ihr hohes Treibhauspotenzial (GWP)

Dasselbe Problem gilt für die verschiedenen Mischungstypen, die meistens aus H-FCKW- und H-FKW-Fraktionen bestehen.

Alternativen für die Zukunft könnten Kältemittel mit null ODP und einem geringen GWP-Wert sein. Die sogenannten natürlichen Kältemittel haben sich als die beste Lösung erwiesen, dazu gehören:

SCHLÜSSELBEGRIFFE ZUM VERSTÄNDNIS DES WERDEGANGS DER KÄLTEMITTEL:

ODP: Die Abkürzung steht für Ozonabbaupotenzial, das heißt das Potenzial für die Zerstörung der Ozonschicht. Der ODP-Wert einer Substanz zeigt, welchen Schaden sie für die Ozonschicht anrichten kann, als Referenz dient CFC-11. Der Index liegt im Bereich von 0 bis 1. Je näher der Wert an null ist, desto geringer ist die Auswirkung auf die Ozonschicht.

GWP: Abkürzung für das Erderwärmungspotenzial: Diese Maßzahl zeigt, wie viel eine bestimmte Masse an Treibhausgasen zur Erderwärmung beiträgt (oder welches ihre Kapazität ist, Wärme in der Atmosphäre zurückzuhalten) im Vergleich zum Masseäquivalent von CO₂-Gas Der GWP-Wert wird immer für eine bestimmte Zeitdauer berechnet (wie 20, 50 oder 100 Jahre). CO₂ dient als Referenzgas für die Berechnung, CO₂ besitzt standardmäßig den GWP-Wert 1. Die anderen Gase werden relativ zum CO₂ berechnet. Je höher der GWP-Wert, desto höher sind die Auswirkungen auf die Erderwärmung.

• KWs (Kohlenwasserstoffe) wie R600a, R290 und R170,
• CO₂ (Kohlendioxid) oder R744,
• Ammoniak (NH₃) oder R717,
• Luft oder R729.

Die Kohlenwasserstoffe sind aufgrund ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften besonders geeignet und treten weltweit immer häufiger in Erscheinung. Sie sind aus technischer Sicht eine gute Lösung, und noch besser ist, dass sie die Umwelt nicht schädigen.

R600a, ein Isobutan, ist für Haushaltsgeräte und kleine gewerbliche Geräte geeignet und hat R134a ersetzt. R290 (Propan) ist dagegen eine Alternative für leichte gewerbliche Anwendungen und ersetzt verschiedene Anwendungen, die R134a, R404A und in einigen Fällen R22 nutzen.

R290 und R600a verbessern nicht nur die Effizienz der Kälteanlage, sondern bei der Befüllung wird auch eine um 40 % bis 60 % geringere Menge als bei R134a und R404A benötigt. 

Es gibt immer noch ein gewisses Maß an Widerstand gegen ihre Verwendung, in erster Linie, weil sie leicht entflammbar sind, aber der gesamte elektrische Stromkreis kann für brennbare Gase ausgelegt werden, um die Funkenerzeugung zu verhindern, außerdem wird die Gasfüllung auf 150 g begrenzt. Je bekannter dieses Produkt wird, desto mehr werden die Unsicherheiten ausgeräumt.

Kohlenwasserstoffe: sichere Anwendung

In anspruchsvollen Märkten wie in Europa sind diese beiden Gase schon lange im Einsatz, ohne dass es zu Unfällen gekommen ist.

Die Füllung mit Kohlenwasserstoffen in einem Kühlschrank ist sehr gering, in einem Haushaltskühlschrank etwa beträgt sie 80 g, und bei Gewerbekühlschränken sind es 150 g. Nur zum Vergleich: Die Kohlenwasserstoffmasse in einem Kühlschrank beträgt ungefähr 1 % der Gesamtmasse in einer 13-kg-Gasflasche, wie sie gemeinhin in Küchen verwendet wird.

Sollen Anlagen, in denen brennbare Kältemittel verwendet werden, repariert werden, sind allerdings einige Vorsichtsmaßnahmen zu beachten:

• Beim Schweißen muss zunächst das gesamte Kältemittel im Gerät abgelassen werden, dies hat entweder in einem gut belüfteten Raum zu geschehen oder aber das Kältemittel wird in einen geschlossenen Behälter gesammelt. Die Rohre müssen völlig frei von Isobutan oder Propan sein, bevor der Schweißbrenner verwendet wird, oder aber sie müssen mit Spannzangen versiegelt werden, um das Ablaufrohr zu schließen.
• Auch bei elektrischen Geräten ist Vorsicht geboten, diese müssen für die Brennbarkeit dieser Kältemittel geeignet sein.