Ersatzstoffe für R22 in Kälteanlagen

R404A und R507A als Ersatzstoffe für R22 und R502

Bei diesen Gemischen handelt es sich um chlorfreie Ersatzstoffe (ODP = 0) für R22 sowie R502 im Bereich von Normal- und Tiefkühlung.

Ein bereits Anfang 1992 vorgestelltes Gemisch wurde unter dem Handelsnamen Suva® HP62 (DuPont) eingeführt und bei Verdichterherstellern und Anwendern mit guten Resultaten getestet. Weitere Alternativen wurden unter Forane® FX70 (Arkema), Genetron® AZ50 (Allied Signal/Honeywell) oder Solkane® 507 (Solvay) angeboten. HP62 und FX70 sind in der ASHRAE-Nomenklatur als R404A und AZ50 als R507A geführt.

Die Basiskomponenten gehören zur Gruppe der HFKW, wobei R143a der brennbaren Kategorie zuzuordnen ist. Durch die Verbindung mit einem relativ hohen Anteil von R125 ist die Brennbarkeit wirksam verhindert; dies gilt auch für den Fall einer Leckage.

Merkmal aller Bestandteile ist der jeweils sehr niedrige Adiabatenexponent mit dem Resultat einer dem Kältemittel R502 vergleichbaren, tendenziell sogar geringeren Druckgastemperatur des Verdichters (R404A/R502 – Vergleich der Druckgastemperaturen eines halbhermetischen Verdichters). Dadurch ist auch der wirtschaftliche Einsatz einstufiger Verdichter bei niedrigen Verdampfungstemperaturen gewährleistet

Bedingt durch die ähnlichen Siedepunkte von R143a und R125, bei relativ geringem Zusatz an R134a, liegt der Temperaturgleit beim ternären Gemisch R404A im relevanten Anwendungsbereich unterhalb einem Kelvin. Die Verhältnisse in den Wärmeübertragern sind dadurch nicht wesentlich anders als bei Azeotropen. Auch die Ergebnisse aus Wärmeübergangsmessungen zeigen günstige Bedingungen.

R507A ist eine binäre Stoffpaarung, die sogar über einen relativ breiten Bereich ein azeotropes Gemisch bildet. Die Bedingungen sind damit tendenziell sogar noch besser.

Die Leistungswerte (Vergleich der Leistungsdaten eines halbhermetischen Verdichters) ergeben nur geringe Unterschiede zwischen den verschiedenen Stoffen und zeigen eine weitgehende Übereinstimmung mit R502. Dies erklärt auch die gute Marktdurchdringung dieser Kältemittel. Mit Blick auf die thermodynamischen Eigenschaften sind sie besonders für gewerbliche Normal- und Tiefkühlanlagen geeignet.

Typische Metallwerkstoffe sind mit HFKW-Kältemitteln verträglich, Elastomere müssen an die geänderten Bedingungen angepasst werden. Als Schmierstoffe eignen sich Polyol-Ester (Schmierstoffe für Verdichter).

Ein Manko ist das relativ hohe Treibhauspotenzial (GWP = 3922 .. 3985), das wesentlich von R143a und R125 bestimmt wird. Im Vergleich zu R502 ist jedoch eine Verbesserung eingetreten, die auch im Hinblick auf den günstigen Energieverbrauch zur Minderung des TEWI-Wertes beiträgt. Weitere Verbesserungen in dieser Hinsicht sind auch durch weiterentwickelte Systemsteuerungen möglich.

Dennoch und zwar wegen des hohen Treibhauspotenzials (GWP) wird der Einsatz von R404A und R507A in der EU bei Neuinstallationen ab 2020 nicht mehr erlaubt sein. Dies ist in der seit 2015 angewandten F-Gase Verordnung Nr. 517/2014 geregelt. Allerdings wird die gleichzeitige Vorgabe zur gestuften Mengenbegrenzung (Phase-Down) in Verbindung mit einer strikten Quotenregelung bei vielen Anwendungen zu einem früheren Ausstieg führen. Detaillierte Information siehe BITZER Informationsschrift A-510.

In den USA, Kanada und Australien gibt es ebenfalls Vorgaben zum Ausstieg aus R404A und R507A. Für einen internationalen Phase-Down (ab 2019) von HFCKW- und HFKW-Kältemitteln wurde in 2016 das sog. Kigali Amendment im Rahmen des Montreal Protocol vereinbart.

Alternativen mit geringerem GWP sind die im Folgenden behandelten HFKW-Gemische sowie die in Entwicklung und Erprobung befindlichen HFO/HFKW-Gemische ("Low GWP" HFOs und HFO/HFKW-Gemische als Alternativen zu HFKWs).

Für bestimmte Anwendungen sind auch halogenfreie Kältemittel oder Kaskadensysteme mit unterschiedlichen Kältemitteln eine Option (Halogenfreie (natürliche) Kältemittel).

Resultierende Auslegungskriterien

In der Anlagentechnik kann in weiten Bereichen auf die Erfahrungen mit R22 und R502 aufgebaut werden.

Aus thermodynamischer Sicht ist ein Wärmeübertrager zwischen Saug- und Flüssigkeitsleitung zu empfehlen; Kälteleistung und Leistungszahl werden dadurch verbessert.

BITZER Produkte für R404A und R507A

BITZER bietet das gesamte Programm der Hubkolben-, Scroll- und Schraubenverdichter für R404A und R507A an.

Ergänzende BITZER Informationsschriften zum Einsatz von HFKW-Gemischen

(auch unter https://www.bitzer.de)

  • Technische Information KT-651 „Umstellung von R22-Anlagen auf Alternativ-Kältemittel”
  • Technische Information KT-510 „Polyolester-Öle für Hubkolbenverdichter“

R407A/407B/407F/407H als Ersatzstoffe für R22 und R502

Alternativ zu den vorher behandelten Substituten wurden weitere Gemischvarianten mit der ebenfalls – wie R143a – chlorfreien (ODP = 0) und brennbaren Basiskomponente R32 entwickelt. Dieses auch den HFKW zugehörige Kältemittel wurde zunächst in erster Linie als Kandidat für R22-Alternativen angesehen. Durch die große Bandbreite der Gemischzusammensetzung sind aber auch ähnliche thermodynamische Eigenschaften zu erzielen wie bei R404A/R507A.

Solche Kältemittel waren anfangs unter den Handelsnamen KLEA® 60/61 (ICI) am Markt und werden in der ASHRAE-Nomenklatur als R407A/R407B* geführt.

Honeywell hat ein weiteres Gemisch mit der Handelsbezeichnung Performax® LT entwickelt (R407F nach ASHRAE-Nomenklatur) und am Markt eingeführt. Ebenso Daikin Chemical mit R407H. Der R32-Anteil ist jeweils höher als bei R407A, dafür die R125-Proportion entsprechend geringer. Bei R407H resultieren daraus Einschränkungen bei Tiefkühlanwendung.

Allerdings sind die Voraussetzungen für R32-haltige Alternativen nicht ganz so günstig wie bei den zuvor behandelten Substituten mit R143a als Basiskomponente. Der Siedepunkt von R32 liegt mit -52°C sehr tief, außerdem ist der Adiabatenexponent sogar noch höher als bei R22. Eine Anpassung der Eigenschaften an das Niveau von R404A und R507A bedingt deshalb jeweils einen relativ hohen Anteil an R125 und R134a. Die Brennbarkeit von R32 ist dadurch zwar wirksam unterdrückt, gleichzeitig führen aber die großen Siedepunktsunterschiede bei höherem R134a-Anteil zu einem größeren Temperaturgleit.

Der wesentliche Vorteil von R32 ist das außerordentlich geringe Treibhauspotenzial (GWP = 675), das dann selbst in Verbindung mit R125 und R134a noch wesentlich niedriger ist als bei den zuvor beschriebenen Alternativen mit R143a (R407A: GWP = 2107, R407F: GWP = 1825, R407H: GWP = 1490).

Damit erfüllen sie auch die Anforderung der neuen EU F-Gase Verordnung, die ab 2020 nur noch Kältemittel mit GWP < 2500 erlaubt.

Untersuchungen mit R32-haltigen Gemischen zeigen zwar bei tieferen Verdampfungstemperaturen gewisse Minderleistungen gegenüber R404A und R507A, die Leistungszahlen weichen aber weit weniger ab und sind bei Normalkühlung sogar höher (Vergleich der Leistungsdaten eines halbhermetischen Verdichters).

Ob sich diese günstigen Bedingungen in realen Anlagen bestätigen, hängt von der Systemausführung ab. Wesentlich ist dabei der deutlich ausgeprägte Temperaturgleit, der sich negativ auf die Leistung bzw. Temperaturdifferenz von Verdampfer und Verflüssiger auswirken kann.

Hinsichtlich der Materialverträglichkeit sind R32-Gemische ähnlich zu bewerten wie R404A und R507A; gleiches gilt auch für die Schmierstoffe.

Trotz der relativ hohen Anteile von R125 und R134a liegt die Druckgastemperatur höher als bei den auf R143a basierenden Alternativen. Dies gilt insbesondere für R407F und in noch stärkerem Maße für R407H. Damit ergeben sich teilweise Einschränkungen im Anwendungsbereich und bei hohen Druckverhältnissen besondere Maßnahmen zur Verdichter-Zusatzkühlung.

Bei besonders hohen Temperaturhüben können 2-stufige Verdichter sehr wirtschaftlich eingesetzt werden. Von wesentlichem Vorteil ist dabei der Einsatz eines Flüssigkeitsunterkühlers.

* R407B ist inzwischen nicht mehr am Markt verfügbar. Aus Gründen der Entwicklungsgeschichte von HFKW-Gemischen wird dieses Kältemittel jedoch im vorliegenden Report weiterhin behandelt.

Resultierende Auslegungskriterien

Für die Anlagentechnik lassen sich in vieler Hinsicht die Erfahrungen mit R404A/R507A und R22 heranziehen, wobei aber der Temperaturgleit sowie Unterschiede in den thermodynamischen Eigenschaften zu berücksichtigen sind. Dies betrifft besonders die Auslegung und Konstruktion von Wärmeübertragern und Expansionsventilen.

Umstellung bestehender R22-Anlagen auf R407A/407B/407F/407H

Praktische Erfahrungen zeigen, dass qualifizierte Umrüstungen möglich sind. Wegen der im Vergleich zu R22 ähnlichen volumetrischen Kälteleistung und eines nur unwesentlich höheren Kältemittelmassenstroms, sind die Voraussetzungen zur Umrüstung von R22-Normal- und Tiefkühlanlagen relativ günstig.

Wesentliche Komponenten können im System verbleiben sofern sie mit HFKW-Kältemitteln und Esteröl kompatibel sind.

Zu berücksichtigen sind jedoch die besonderen Anforderungen an Wärmeübertrager mit Blick auf den ausgeprägten Temperaturgleit. Eine Umstellung auf Esteröl ist ebenfalls erforderlich, wodurch es zu verstärkter Ablösung von Zersetzungsprodukten und Schmutz im Rohrnetz kommt. Es sind deshalb reichlich dimensionierte Saugreinigungsfilter vorzusehen.

Umstellung bestehender R404A/R507A-Anlagen auf R407A/407B/407F/407H

Größere Unterschiede in den thermodynamischen Eigenschaften (z.B. Massenstrom, Druckgastemperatur) und der Temperaturgleit von R407A/F/H können bei Umstellung bestehender Anlagen einen Austausch von Regelkomponenten und ggf. die Nachrüstung von Zusatzkühlung der Verdichter erfordern. Bei neu erstellten Anlagen ist eine spezifische Auslegung der Komponenten und des Systems vorzunehmen.

BITZER Produkte für R407A und R407F

BITZER bietet ein umfassendes Programm halbhermetischer Hubkolben- und Schraubenverdichter für R407A und R407F an. Eine individuelle Auslegung von Verdichtern für R407H ist auf Anfrage möglich.

R422A als Ersatzstoff für R22 und R502

R422A (ISCEON® MO79 – Chemours) wurde u.a. mit dem Ziel entwickelt, ein chlorfreies Kältemittel (ODP = 0) für die einfache Umstellung bestehender R22- und R502-Normal- und Tiefkühlanlagen anzubieten.

Hierzu war es erforderlich, ein in Leistungsdaten und Energieeffizienz mit R404A, R507A und R22 vergleichbares Kältemittel zu formulieren, das auch den Einsatz konventioneller Schmierstoffe ermöglicht.

Es handelt sich um ein zeotropes Gemisch mit den Basiskomponenten R125 und R134a sowie einem geringen Zusatz von R600a. Wegen des relativ hohen R134a-Anteils liegt der Temperaturgleit (Kältemitteldaten) höher als bei R404A, jedoch niedriger als bei anderen Kältemitteln mit den gleichen Gemischkomponenten – wie z.B. R417A und R422D (R417A/417B/422D/438A als Ersatzstoffe für R22).

Der Adiabatenexponent ist im Vergleich zu R404A und R507A geringer und damit auch die Druckgas- und Öltemperatur des Verdichters. Bei extremeren Anwendungen im Tiefkühlbereich können sich daraus Vorteile ergeben, im Falle niedriger Druckverhältnisse und Sauggasüberhitzung kann dies wegen tendenziell höherer Kältemittelanreicherung bei Einsatz von Esteröl aber nachteilig sein.

Die Materialverträglichkeit ist mit den zuvor behandelten Gemischen vergleichbar; gleiches gilt auch für die Schmierstoffe. Wegen des guten Löslichkeitsvermögens von R600a können unter günstigen Voraussetzungen auch konventionelle Schmierstoffe zum Einsatz kommen.

Vorteile ergeben sich insbesondere bei der bereits erwähnten Umstellung bestehender R22- und R502-Systeme. Bei Anlagen mit hoher Ölzirkulationsrate und/oder großem Flüssigkeitsvorrat im Sammler kann es allerdings zu Ölverlagerung kommen – z. B. bei Installationen ohne Ölabscheider.

Falls ungenügende Ölrückführung zum Verdichter festgestellt wird, empfiehlt der Kältemittelhersteller, einen Teil der Original-Ölfüllung durch Esteröl zu ersetzen. Aus Sicht des Verdichterherstellers bedingt eine solche Maßnahme jedoch eine sehr sorgfältige Überprüfung der Schmierbedingungen. Falls es z.B. zu verstärkter Schaumbildung im Kurbelgehäuse des Verdichters kommen sollte, wird eine komplette Umstellung auf Esteröl* erforderlich. Eine Zumischung oder Umstellung auf Esteröl führt unter Einwirkung der hochpolaren Mischung aus Esteröl und HFKW zu verstärkter Ablösung von Zersetzungsprodukten und Schmutz im Rohrnetz. Es sind deshalb reichlich dimensionierte Saugreinigungsfilter vorzusehen. Weitere Hinweise siehe „Guidelines“ des Kältemittelherstellers.

Aus thermodynamischer Sicht ist ein Wärmeübertrager zwischen Saug- und Flüssigkeitsleitung zu empfehlen; Kälteleistung und Leistungszahl werden dadurch verbessert. Außerdem führen die resultierenden höheren Betriebstemperaturen des Verdichters zu günstigeren Schmierverhältnissen (geringere Löslichkeit).

Wegen des hohen Treibhauspotenzials (GWP ≥ 2500) wird R422A in der EU bei Neuinstallationen ab 2020 nicht mehr erlaubt sein. Anforderungen und Einschränkungen sind in der F-Gase Verordnung 517/2014 geregelt.

* Generelle Empfehlung bei Schraubenverdichtern sowie Flüssigkeitskühlsätzen bei Verwendung von Einspritzverdampfern mit innenstrukturierten Wärmeübertragerrohren. Zudem ist eine individuelle Überprüfung mit Blick auf eventuelle Zusatzmaßnahmen erforderlich.

BITZER Produkte für R422A

BITZER Verdichter sind für R422A geeignet. Eine individuelle Auslegung ist auf Anfrage möglich.