Umweltverträgliche Kühlung

Sensata Technologies: Der zunehmende Einsatz natürlicher Kältemittel bringt eine Reihe von neuen Herausforderungen für die Auslegung von Kühlsystemen mit sich. Laut William Bentley von Sensata Technologies können Entwickler von HLK-Systemen die Sicherheit und Effizienz optimieren, wenn sie die Auswirkungen dieses Trends auf die Auslegung und Auswahl von Komponenten verstehen.

Regierungen weltweit stellen an Anlagenhersteller immer höhere Anforderungen im Hinblick auf die Verwendung von umweltverträglichen Chemikalien. In der Kälte- und Klimakältetechnikbranche bedeutet dies, ältere Kältechemikalien, die starke Treibhausgase wie Kohlenwasserstoffe (HFC), Chlorfluorkohlenwasserstoffe (HCFCs) und Chlorfluorkohlenstoffe (CFCs) durch weniger schädliche „grüne“ Kältemittel zu ersetzen, die die Ozonschicht nicht angreifen und weniger zur globalen Erwärmung beitragen.

Diese alternativen Kältemitteltypen sind natürlich vorkommende, nichtsynthetische Stoffe, die als Kältemittel in Kühlgeräten und Klimaanlagen eingesetzt werden können. Dazu zählen Kohlenwasserstoffe (Propan, Butan und Cyclopentan), CO2, Ammoniak, Wasser und Luft.

Für OEMs, die Kühl- und Klimaanlagen herstellen, bringen neue Vorschriften neue Herausforderungen mit sich, nicht nur im Hinblick auf den bestgeeigneten Kältemitteltyp für die spezifische Anwendung, sondern auch bei der Auswahl von Komponenten, die sich für die technischen Anforderungen und Leistungsmerkmale des jeweiligen Kältemittels eignen. Welche Optionen stehen dafür zur Verfügung und wie treffen Sie Ihre Auswahl?

Optionen für Kältemittel

Es gibt zwei wichtige Kriterien, um zu bewerten, ob ein Kältemittel umweltverträglich ist: erstens das Ozonabbaupotenzial (ODP, Ozone Depletion Potential) und zweitens das Treibhauspotenzial (GWP, Global Warming Potential).

Das ODP ist eine Maßzahl für den relativen Effekt des Abbaus der Ozonschicht, der durch einen Stoff ausgelöst werden kann. UV-Strahlung aus dem Sonnenlicht führt zur Freisetzung von Chlor in CFCs und HCFCs in die Atmosphäre, das dann die Ozonschicht schädigt. Natürliche Kältemittel hingegen haben einen ODP von Null, was bedeutet, dass sie die Ozonschicht nicht angreifen, wenn sie aus dem System entweichen.

Das GWP ist eine Maßzahl für den relativen Beitrag eines Gases zum Treibhauseffekt. Je niedriger das GWP, desto umweltverträglicher ist ein Stoff. Das GWP vergleicht die Wärmemenge, die in einer bestimmten Menge eines Gases eingeschlossen ist, mit der in einer ähnlichen Masse Kohlendioxid eingeschlossenen Wärmemenge. Ein spezifisches GWP wird für einen bestimmten Zeitraum berechnet, in der Regel 20, 100 oder 500 Jahre.

Die Mehrzahl der heute eingesetzten Kältemittel hat ein GWP von 1,400 bis 4,000. Die aktuellen FCKW-Kältemittel R404a und R134a haben extrem hohe GWP-Werte ‒ 3,922 und 1,430 ‒ und sind somit in hohem Maße umweltschädlich. Im Vergleich bietet der Kohlenwasserstoff Propan R290, eine neuere, natürliche Version von R404A, ein äußerst niedriges GWP von lediglich 3,0. Mittlerweile hat der Großteil der Industrie von R404A auf R134A umgestellt, doch der Einsatz von R290 wird zukünftig noch mehr Vorteile bringen.

Kohlenwasserstoffe

Viele der natürlichen Kältemittel der neuen Generation basieren statt auf Kohlenfluorwasserstoff (HFC) auf Kohlenwasserstoff (HC). Zu den kohlenwasserstoffbasierten Kältemitteln zählen Propan (R290), Isobutan (R600a) – typischerweise in kleineren Anwendungen wie Haushaltsgeräten eingesetzt – und R32, bei dem es sich um ein Gemisch aus Propan R290 und einem anderen Kältemittel handelt. Diese natürlich vorkommenden Chemikalien werden mit Betriebsdrücken von 10 bis 50 bar verwendet.

Die thermodynamischen Eigenschaften von Propan R290 sind den beiden alten FCKW-Kältemitteln R134a und R404a deutlich überlegen. Zusätzlich ist seine Wärmeleistung um 90 % höher als die von R134a und um 140 % höher als die von R404a. Diese Merkmale ermöglichen es R290, schneller mehr Wärme zu absorbieren, was zu einer höheren Effizienz des Geräts mit schnellerer Temperaturregulierung und geringerem Energieverbrauch führt.

Kohlenwasserstoffe greifen die Ozonschicht nicht an und haben ein niedriges GWP. Sie haben jedoch einen Nachteil: Diese neue Generation von kohlenwasserstoffbasierten Kältemitteln ist hoch entzündlich und erfordert daher für Kühlanlagen und Komponenten spezielle Sicherheitstechnologien.

CO2 – Kohlendioxid

CO2 wird im Vergleich zu Kohlenwasserstoffen mit fast dem doppelten Druck verwendet, sodass es deutlich schwieriger zu handhaben ist. Andererseits hat CO2 ein GWP von lediglich eins, während Kohlenwasserstoffe ein dreifach höheres globales Treibhauspotenzial besitzen.

Ammoniak

Ammoniak ist ein weiteres natürliches Kältemittel, das heute eingesetzt wird, jedoch nicht so häufig wie Kohlenwasserstoffe. Es hat ein ODP und GWP von Null und zersetzt sich schnell. Die Herausforderung bei Ammoniak besteht darin, dass es aufgrund seiner Basizität äußerst korrosiv ist, sodass die Materialverträglichkeit der in den Anwendungen verwendeten Komponenten sorgfältig geprüft werden muss.

Unabhängig vom verwendeten Kältemittel – ob ein Kohlenwasserstoff, CO2 oder Ammoniak – weist jede Option eigene Hürden und Herausforderungen auf, die OEMs und Komponentenhersteller überwinden müssen, unter anderem im Hinblick auf die zu verwendenden Druckschalter und -sensoren sowie die Verfahren zu deren Entwicklung und Prüfung.

Lösungen für die Herausforderungen durch hohe Betriebsdrücke

In heutigen Anlagen werden alle Komponenten für bestimmte Betriebsbedingungen und -drücke spezifiziert. CO2 ist zwar nicht wie Kohlenwasserstoffe entzündlich, schafft jedoch aufgrund seines hohen Betriebsdrucks Probleme – der fast das Doppelte des typischen Drucks in modernen Klimaanlagensystemen beträgt. Dies macht die Entwicklung von spezialisierten Komponenten wie Druckschaltern erforderlich, die einen zuverlässigen Betrieb in Anwendungen mit CO2 sicherstellen, was sich wiederum auf die Herstellung der Produkte auswirkt.

Einige Getränkehersteller verlangen zum Beispiel zurzeit von ihren Lieferanten für Getränkekühlanlagen eine Umstellung vom FCKW-Kältemittel R134a auf CO2. Da das unter hohem Druck stehende Kältemittel das ganze System durchläuft, müssen die Kühlanlagen aus Sicherheitsgründen jetzt mit einem Druckschalter ausgerüstet werden. Wenn keine Nachrüstung möglich ist, müssen die Anlagen erneuert werden. Zusätzlich zu den Sicherheitsproblemen ist CO2 im Vergleich zu Kohlenwasserstoffen weniger effizient, sodass mehr Strom benötigt wird, um dieselbe Wärme- oder Kühlleistung zu erzielen.

Die in CO2-Kühlsystemen erforderlichen Druckschalter schützen das System vor Hochdruckspitzen und Überdrücken, die die Kühlschlangen beschädigen könnten. Wenn der Druck einen bestimmten Punkt erreicht hat, öffnet der Schalter den elektrischen Kontakt und schaltet den Kompressor – die zentrale Komponente jedes Kühlsystems – aus. Wenn der Druck wieder auf ein normales Niveau abfällt, wird der Kompressor automatisch wieder eingeschaltet. Im heutigen Markt wird jedoch noch höhere Sicherheit benötigt. Da Schalter elektromechanische Vorrichtungen sind, können sie beim Öffnen oder Schließen der Kontakte Funken erzeugen, was ein Gefahrenpotenzial darstellt. Welche Lösung gibt es dafür?

Sichere Kapselung für entzündliche Kältemittel

Eine der größten Herausforderungen beim Einsatz von natürlichen Kältemitteln auf Kohlenwasserstoffbasis ist die hohe Entzündlichkeit. Um eine Entzündung von kohlenwasserstoffbasierten Kältemitteln durch Funken zu verhindern, haben Komponentenentwickler wie Sensata ihre Druckschalter zusätzlich durch eine Kapselung gesichert, die das spezifische Druckmedium (Propan R290) von der elektrischen Baugruppe isoliert.

Jeder Schalter verfügt über eine hermetische Abdichtung entlang des Gaspfades, während um die elektrischen Anschlüsse herum ein Dichtmittel aufgetragen wird. Die elektrischen Schalteranschlüsse melden an das System zurück, ob der Schalter geöffnet oder geschlossen ist. Dieses Sicherheitsdesign verhindert, dass das Gas in das elektrische Schaltfeld gelangt, in dem beim Schließen oder Öffnen von Kontakten Lichtbögen erzeugt werden können. Auf diese Weise wird die Explosionsgefahr vollständig eliminiert.

Prüfung/Zertifizierungen

Um die Auswirkungen von natürlichen Kältemitteln auf ihre Systeme zu beurteilen, müssen OEMs wissen, ob der Druckschalter mit dem spezifischen Kältemittel getestet wurde, das sie einzusetzen beabsichtigen. Für Propan R290 müssen sie zum Beispiel wissen, wie hoch der Maximalstrom des Druckschalters ist, bei dem eine Entzündung des Kältemittels ausgeschlossen ist, und ob er den erforderlichen Druckbetätigungspunkt und Schaltpunkt aufweist.

Bei CO2-Systemen, die mit einem doppelt so hohen Druck wie konventionelle Systeme arbeiten, ist das größte Problem der Berstdruck. Welchem Druck kann das System standhalten? Wie lange arbeitet es im Dauerbetrieb unter Hochdruck zuverlässig?

Bei der Auswahl von Schaltern für Ihr System sollten Sie stets sicherstellen, dass sie durch eine zugelassene unabhängige Stelle auf Beständigkeit gegenüber den jeweiligen Umgebungsbedingungen und den im System verwendeten Kältemitteln geprüft wurden.

Drucksensoren und Systemrückmeldungen

In Umgebungen, in denen Informationen zum Systemdruck benötigt werden, muss anstelle eines Schalters ein Drucksensor verwendet werden. Ein Druckschalter dient ausschließlich der Sicherheit, während ein Drucksensor Sicherheitsinformationen in Form von Daten liefert, die zur Verbesserung der Energieeffizienz im System genutzt werden können.

Wenn das Ziel darin besteht, den Druck innerhalb eines konstanten Bereichs aufrechtzuerhalten, kann der Drucksensor zur Regelung des Systems verwendet werden. Wenn zum Beispiel der Druck in einem Supermarkt über den normalen Betriebsbereich ansteigt, könnte ein Drucksensor ein Rückmeldungssignal übertragen, das den Druckschalter aktiviert und/oder das Kondensatorsystem abschaltet, um den Druck wieder auf den spezifizierten Pegel zu bringen. Zusätzlich könnte der Drucksensor einen Techniker oder einen Wartungsbetrieb über das Problem informieren, um eine dauerhafte Korrektur vorzunehmen. Dies könnte über eine einfache lokale Warnmeldung oder einen Alarm erfolgen, der über die Cloud an den jeweiligen Techniker oder ein Unternehmen gesendet wird.

Viele Anlagenhersteller könnten die von Drucksensoren erfassten Daten auch nutzen, um die Funktionsweise ihrer HLK-Systeme über die Zeit besser zu verstehen.