Kältemitteleigenschaften

Eigenschaften und Besonderheiten

Vorteilhaft sind Kältemittel, die ein kleines Verdichter-Hubvolumen benötigen (hohe volumetrische Kälteleistung), einen geringen Energiebedarf bewirken (hoher exergetischer Wirkungsgrad), kein oder ein zumindest geringes Treibhauspotential aufweisen.


Die HFKW (Fluorkohlenwasserstoffe)

Um das früher weit verbreitete R12 zu ersetzen, wurde R134a als teilfluoriertes Einstoffkältemittel entwickelt und ist seitdem weltweit gebräuchlich. Bei ähnlichen thermodynamischen Eigenschaften sind Kälteleistung, Energiebedarf, Temperaturverhalten und Drucklagen annähernd vergleichbar. Wie auch bei anderen HFKW war zunächst der Einsatz des notwendigen Schmierstoffes problematisch. Die üblichen Mineral- und Synthetiköle sind mit R143a nicht mischbar und werden im Kreislauf nur unzureichend transportiert. Die Neuentwicklung von Schmierstoffen auf Polyol-Ester-Basis, die ähnliche Schmiereigenschaften wie die bisherigen Öle besitzen, löste das Problem dauerhaft.

R134a kommt als Komponente in anderen Kältemitteln, sogenannten Blends wie R407C, R404A, R410A, R507A zur Verwendung. Die zeotropen Gemische der 400er Reihe verdampfen und kondensieren innerhallb eines Temperaturgleits oder auch Temperaturbandes mit dabei auftretenden Konzentrationsschwankungen, dies muss bei der Auslegung der Wärmetauscher berücksichtigt werden. Um eine Vergleichbarkeit mit den azetropen Einstoffkältemitteln zu erreichen, wurden Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur bisher meistens als Mittelwert definiert. Die Konsequenz ist jedoch, dass gemessene Unterkühlungs- und Überhitzungszustände - bezogen auf den Mittelwert - nicht real sind. Die effektive Differenz, basierend auf Sattdampf- bzw. Siedetemperatur ist jeweils geringer. Dies ist für die Mindestüberhitzung am Verdichtereintritt, üblicherweise 5 bis 7 °K und die Bildung von Dampfblasen nach dem Sammler von Bedeutung.


Die KW (Kohlenwasserstoffe)

Propan (R290) und R1270 (Propen) werden als Ersatzstoffe auch in Wärmepumpen verwendet und weisen dabei ähnliche Drucklagen wie die HFKW auf. Die Schmierstoffe können, mit höherer Viskosität wegen der stärkeren Löslichkeit, die gleichen sein. Problematisch ist allerdings die hohe Brennbarkeit der Kohlenwasserstoffe, die spezielle Anforderungen an Aufstellung, Dichtheit und Belüftung der Anlage erfordern. Die Verwendung von Kältemitteln der Gruppe 3 ist nur bis zu einer Füllmenge von 150 g abgedeckt, die Anlagen werfen deshalb wegen ihrer deutlich höheren Füllmengen Fragen hinsichtlich des Produkthaftungsrisikos auf. Insgesamt ergibt die Verwendung von Kohlenwasserstoffen bei Wärmepumpen aber zumindest energetisch eine positive Bilanz.


Anorganische Kältemittel
R717 Ammoniak

Als klassisches Hochdruckkältemittel kommt Ammoniak vor allem in Kaltdampf-Kompressions- und Kaltdampfabsorptionsanlagen bei Kälte-Großanlagen zur Verwendung, obwohl hohe Temperaturbereiche bis ca. 70 °C energetisch günstig handhabbar sind. Problematisch ist allerdings die hohe Toxizität, Einatmen löst Panikreaktionen und Erstickungsanfälle aus. Ammoniak hat sich in Industriekälteanlagen etabliert, seine Toxizität ist dort von zweitrangiger Bedeutung, da diese Anlagen in der Regel nicht dem Publikum ausgesetzt sind und von Fachpersonal betreut werden. Auch wegen der Gefährdung des Grundwassers sind entsprechende Sicherungsmaßnahmen zu treffen, da Ammoniak bei der Anwesenheit von Wasser in der Anlage stark reagiert, ist diese unbedingt buntmetallfrei auszuführen.

R744 Kohlendioxid

Ungiftig, unbrennbar, (fast) kein Treibhauspotenzial: Kohlendoixid wäre aus ökologischer und sicherheitstechnischer Sicht ein ideales Kältemittel. Allerdings bedingen die thermodynamischen Eigenschaften von CO2 durch die hohe volumetrische Heizleistung und den hohen Wärmeübergangskoeffizienten einen Einsatzbereich für hohe Temperaturen. Die für den Kreisprozess notwendigen hohen Drücke erfordern speziell ausgelegte Verdichter und bedingen andererseits eine hohe elektrische Antriebsleistung. Die isobare Abkühlung des CO2 unter stark gleitender Temperatur im Kondensator macht es unmöglich, in den etwa für Flächenheizungen benötigten niedrigen Temperaturbereichen von ca. 35 °C zu arbeiten. Prädestiniert sind Wärmepumpen mit CO2 deshalb für Anwendungsbereiche von etwa 70 °C.


Ammoniak und Kohlenwasserstoffe lassen sich in der Regel aus Kostengründen nur beim Bau von neuen Anlagen als Kältemittel einsetzen. Ein späterer Umbau von synthetischen auf natürliche Kältemittel ist, wenn nicht unmöglich, dann doch mit sehr hohen Kosten, nicht zuletzt baulicher Art, verbunden. Insofern werden beim Bau einer Anlage die Weichen für viele Jahre gesetzt.