Frank Rinne:
Untersuchung anwendungstechnischer Probleme beim Einsatz von zeotropen Kältemittelgemischen

Ersatzstoffe für R502

Da kein umweltfreundliches Einstoffkältemittel im Tieftemperaturbereich als Ersatzstoff für R502 und R22 zur Verfügung steht, werden in Zukunft binäre und ternäre Kältemittel­gemische als Substitute eingesetzt werden. Die im Rahmen dieser Arbeit erstellten Simulations­programme bieten die Möglichkeit, durch Variation der Gemisch­zusammensetzung die erforderlichen Parameter wie z.B. Kälteleistung, Temperatur­änderung beim Phasenwechsel in den Wärmetauschern, die Verdichtungsendtemperatur, die Kältezahl etc. an die kältetechnische Aufgabenstellung anzupassen und zu optimieren.

In den anlagentechnischen Untersuchungen mit den nahezu azeotropen ternären Ersatzstoffen wurden mit guter Annäherung die gleichen Leistungen gemessen im Vergleich zu R502. Die Verdichtungsendtemperaturen wurden durch Anpassung der Gemisch­zusammen­­setzung beim HP80 auf die gleichen Werte wie beim R502 reduziert, der Ersatzstoff HP62 hat bei gleichen Randbedingungen niedrigere Verdichtungs­end­temperaturen. Hiermit wurde die thermische Belastung des Verdichters und der Schmieröle reduziert. Mit dem ternären Gemisch R32/R125/R134a konnten im Vergleich zu R502 energetische Verbesserungen erzielt werden. Nachteilig ist die hohe Verdichtungs­end­temperatur, die bei luftgekühlten Verflüssigern zu Problemen führen kann. Eine mögliche Zersetzung des Schmieröles und somit Schäden am Verdichter sind nicht auszuschließen.
 

Leckageuntersuchungen

Konzentrationsverschiebungen können nicht nur durch Leckagen auftreten, sondern auch bei zeotropen Kältemittelgemischen mit einem großen Siedepunktabstand durch Abscheidungsvorgänge innerhalb der Wärmetauscher nach der Einfüllung und bei unter­füllten Anlagen. Dieser Effekt wurde allerdings bei den nahezu azeotropen Kältemittel­gemischen nicht festgestellt, da diese Gemische nur eine sehr kleine Temperaturänderung beim Phasenwechsel durchlaufen und somit nahezu gleiche Konzentration in Dampf- und Flüssigkeitsphase vorliegen.

Werden Leckagen an Anlagen durch Sensoren oder visuell durch das Auftreten von Blasen im Schauglas rechtzeitig bemerkt, so sind auch bei zeotropen Gemischen mit einer großen Temperaturänderung beim Phasenwechsel keine wesentlichen Konzentrations­verschiebungen zu erwarten. Nahezu azeotrope Gemische wie z.B. HP62 können hinsicht­lich der praktischen Handhabung wie Einstoffkältemittel eingesetzt werden.

Mit Simulationsprogrammen können die maximalen Konzentrationsänderungen bei Leckagen vorausberechnet werden. Ein Vergleich der berechneten Konzentrations­verschiebungen mit Meßdaten aus Laborversuchen zeigte eine zufrieden­stellende Überein­stimmung. Die Genauigkeit kann durch angepasste Zustandsgleichungen verbessert werden.

Konzentrationsbestimmung

Die Konzentrationsbestimmung für nahezu azeotrope Kältemittelgemische ist für die Praxis nicht erforderlich, da bei diesen Stoffen im Leckagefall nur geringe Konzentrations­änderungen auftreten.
Für den Einsatz von binären zeotropen Kältemittelgemischen wurden einfache Möglichkeiten der Konzentrationsbestimmung mit und ohne Probenahme erfolgreich erprobt. Besonders das Verfahren der isenthalpen Drosselung und der iterativen Berechnung der Gemischzusammensetzung hat Vorteile, da der eingesetzte Mikrocomputer noch Steuerungs­­aufgaben für ein elektronisches Expansionsventil übernehmen kann. Die Genauig­keit der Konzentrationsbestimmung ist für kältetechnische Zwecke ausreichend, kann aber ebenfalls durch Anpassung an Stoffdatenmessungen verbessert werden.

Expansionsventile

Thermostatische Expansionsventile können bei Kältmittelgemischen eingesetzt werden, wenn die Ventilfüllung an die Taulinie des verwendeten Gemisches angepasst wird. Im Rahmen der Untersuchungen mit R502 Ersatzstoffen traten keine Probleme mit dem thermostatischen Ventil auf. Geringfügige Einstellungen können direkt am Ventil vorgenommen werden.

Elektronische Expansionsventile eignen sich sehr gut für Gemischanwendungen, besonders wenn adaptive Regelalgorithmen eingesetzt werden. Für Anwendungen mit zeotropen Kältemittelgemischen, wie z.B. für Gemsichkaskaden, stellt sich im Taktbetrieb erst nach einiger Zeit eine konstante umlaufende Gemischzusammensetzung ein. Für diese Systeme kann die Regelung des Expansionsventils nach der momentan umlaufenden Gemisch­zusammensetzung durchgeführt werden, in dem durch Berechnung der Konzentration die aktuelle Zusammensetzung ermittelt und ein elektronisches Ventil entsprechend angesteuert wird.