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Ersatz von R 22 – Was ist zu beachten? - fuchs europe schmierstoffe

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29.07.2009
9:52 Uhr
Seite 1
FUCHS Kältemaschinenöle
Ersatz von R 22 –
Was ist zu beachten?
07/2009 0.1
FUCHS EUROPE SCHMIERSTOFFE GMBH
Friesenheimer Straße 15
68169 Mannheim
Telefon: 0621 3701-0
Telefax: 0621 3701-570
E-Mail: zentrale@fuchs-europe.de
www.fuchs-europe.de
RENISO
R22 Ersatz –Was ist zu beachten?
R22 Ersatz –Was ist zu beachten?
Mit dem anstehenden Verbot des Einsatzes von R22 Frischware zu Wartungszwecken ab dem
1.1.2010 in der EU ist erneut die Diskussion entfacht, wie sich R22 in seinen vielfältigen
Anwendungen optimal ersetzen läßt. Der nachfolgende Artikel ist der erste Teil einer zweiteiligen
Veröffentlichung, die sich diesem Thema umfassend aus verschiedenen Sichtwinkeln eines
Kältemittel- und Ölherstellers sowie eines Großhändlers und Anlagenbauers nähert.
Beginnend mit der Beschreibung der gesetzlichen Lage und der derzeitigen Ausgangssituation
bzgl. der verbauten R22 Mengen, wird im ersten Teil auf die Theorie des Kältemittel und
Kältemaschinenöl Systems eingegangen. Im zweiten Teil wird auf die praktischen Schritte von
der Vorplanung bis zum sicheren Betrieb bei der Umrüstung von R22 Anlagen im Bereich der
Industriekälte eingegangen. Anhand zweier Fallbeispiele werden die einzelnen Punkte der
Umrüstung beschrieben.
Die gesetzliche Lage
Der Ausstieg aus der Verwendung von R22 für Kälte- und Klimaanwendungen ist auf EU Ebene
mit der Verordnung (VO) EG2037/2000 festgelegt. Als VO ist diese direkt für alle EU
Mitgliedstaaten sofort verbindlich anzuwenden. In Deutschland regelt darüber hinaus die
Chemikalien Ozonschicht VO (ChemOzonSchichtV) vom 13.11.2006 ergänzend Maßnahmen
zum Schutz der Ozonschicht. Diese waren bisher Bestandteil der FCKW-Halonverbots VO und
wurden somit von der ChemOzonSchichtV abgelöst.
Wie bereits erwähnt, ist das schrittweise Verbot der Verwendung von R22 zu Wartungszwecken
ab dem 1.1.2010 mit Frischware bzw. ab den 1.1.2015 mit rezykliertem R22 ein zentraler Punkt
der EG2037/2000. Bei der Umstellung von R22 Altanlagen sind einige wichtige Rechtsaspekte zu
beachten:
# Die Rückgewinnung von Kältemitteln während Wartung und Stilllegung ist in der
EG2037/2000 Art.16, 1 verpflichtend vorgeschrieben. Nach § 3 Abs. 1 ChemOzonSchichtV ist der Besitzer der Anlage für die ordnungsgemäße Rückgewinnung verantwortlich. Die Pflicht zur ordnungsgemäßen Rückgewinnung kann an Dritte übertragen
werden.
# Die Rückgewinnung von R22 darf nur von Personen vorgenommen werden, die sachkundig sind (z.B. Kälteanlagenbauer, Mechatroniker für Kältetechnik, Techniker und
Ingenieure der Kältetechnik), über die erforderliche Ausrüstung verfügen, zuverlässig und
die im Rahmen von Inspektions- und Wartungstätigkeiten nicht weisungsgebunden sind
(vgl. § 5 Abs. 1 und 2 ChemOzonSchichtV).
# Das gebrauchte R22 ist ab dem 01.01.2010 Abfall, wenn es vom Eigentümer (Anlagenbetreiber) nicht mehr weiterverwendet werden kann und er sich des R22 entledigen muß.
Als Abfall unterliegt es dann den für Abfall gültigen Gesetzen und Verordnungen, z.B. der
EG-Abfall-VerbringungsVO 1013/2006/EG, dem Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz
(KrW-/AbfG) und anderen einschlägigen Vorschriften.
# Der Kälteanlagenbauer, der R22 aus der Anlage seines Kunden entnimmt, hat über Art
und Menge des entnommenen Kältemittels Aufzeichnungen zu führen. Diese sind
mindestens 5 Jahre aufzubewahren. Betreiber von Entsorgungsanlagen, die nach dem
Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz nachweispflichtig sind, müssen die Dokumentation
über das Begleitscheinverfahren abwickeln (vgl. § 3 Abs. 3 ChemOzonSchichtV).
1
Alle Angaben entsprechen nach bestem Wissen dem derzeitigen Stand der Erkenntnisse und unserer Entwicklung. Änderungen bleiben vorbehalten. Stand 07/2009
R22 Ersatz –Was ist zu beachten?
#
#
Das gebrauchte R22 darf nur direkt weiterverwendet werden, wenn es nicht den
Eigentümer wechselt. Ist dies nicht der Fall, muß der Eigentumswechsel dokumentiert
werden. Das gebrauchte R22 muß als Abfall weiterbehandelt werden, bevor es als
rezykliertes R22 in Kälte- und Klimaanlagen wieder eingesetzt werden darf. (vgl. Art.16
Abs. 1 bis 3 der Verordnung EG2037/2000).
Mit der Umstellung einer R22 Anlage auf ein HFKW Kältemittel ändern sich gleichzeitig
die gesetzlichen Regeln zum Betrieb der umgestellten Anlage. Wesentliche Auswirkung
hat dies auf die Betreiberpflicht, diese Anlagen gemäß der EG842/2006 (EG F-Gas VO)
auf Leckagen zu überprüfen. Nachfolgend sind in Tabelle 1 die Unterschiede zwischen
HFCKW und HFKW betriebenen Anlagen gegenüber gestellt:
R22 bisher
HFKW
Bemerkung
Logbuch
ja
Ja
Kontrolle < 3kg
Nein
nein*
*< 6kg bei hermetischen Systemen
3 – 30 kg
Jährlich
Jährlich
1
30 – 300kg
Jährlich
½ jährlich
> 300kg
Jährlich
¼ jährlich*
Tabelle 1: Gegenüberstellung der Wartungsintervalle zw. R22 und HFKW Anlagen
Ausgangssituation
In den meisten Anwendungen ist bereits seit dem 1.1.2000 die Installation von Neuanlagen mit
R22 in der EU verboten. Demnach werden die jüngsten R22 Anlagen mindesten 10 Jahre alt sein,
wenn das Verwendungsverbot für R22 Frischware zu Wartungszwecken greift.
Anwendung
Gewerbe
klein
Gewerbe
groß
Transport
Industrie
A/C,
3
Klein
A/C,
4
Groß
2
Ø Füllmenge
R22, kg
10
Bank DE ,
to
1500
Ø Lebensdauer,
Jahre
12
Ø Leckrate,
%
6,5
Anteil R22
Verbrauch, %
5
300
6500
15
12
19
10
1000
3,5
800
2500
1500
9
20
10
10
12
2
0,3
9,6
28.1
250
3000
15
5
37,9
Tabelle 2: R22 und seine Verbraucher in Deutschland
R22 ist das Kältemittel, das in der Vergangenheit die weiteste Verbreitung fand, mit der größten
Anzahl verschiedener Anwendungen von der Tiefkälte bis hin zu Klima- und Wärmepumpen1
Die Verlängerung der Inspektionsintervalle ist durch Installation eines Leckageüberwachungssystemes
möglich
2
Werte geschätzt
3
Klein A/C Systeme: Vorwiegend Systeme zur häuslichen Komfort-Klimatisierung <75kW Kälteleistung
4
Groß A/C Systeme: Vorwiegend Klimatisierung großer Gebäude z.B. Hotels, Bürogebäude etc. >75kW
Kälteleistung
2
Alle Angaben entsprechen nach bestem Wissen dem derzeitigen Stand der Erkenntnisse und unserer Entwicklung. Änderungen bleiben vorbehalten. Stand 07/2009
R22 Ersatz –Was ist zu beachten?
anwendungen. Die Verteilung der Anwendungen ist in einzelnen EU Mitgliedsstaaten (EU-MS)
unterschiedlich. Der R22 Bedarf zu Wartungszwecken variiert in den einzelnen Anwendungsbereichen. Dies hängt u.a. mit den unterschiedlichen Einsatzbereichen der R22 Systeme und
deren Lebensalter zusammen. Tabelle 2 gibt die wichtigsten Kennzahlen für Deutschland wieder.
Die gesamte Menge an installiertem R22 in Deutschland wird auf ca. 16000to geschätzt. Die
Hauptanwendungsgebiete sind große Gewerbekälte-, Industrie- und große Klimasysteme, deren
durchschnittliche Füllmenge > 250kg ist. Diese Großsysteme sollen nachfolgend näher betrachtet
Die tatsächlich aufbereitbare Menge aus der geschätzten R22 Bank läßt sich
schwer und nur mit erheblichen Unsicherheiten abschätzen, da die R22 Qualität, bzw.
dessen Reinheit, häufig ungenügend ist (< 98 % R22 Anteil). Dies ist jedoch die Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Aufbereitung. Für Deutschland läßt sich für den
Zeitraum 2010 – 2015 eine durchschnittliche Aufbereitungsquote von 450t/a annehmen5.
werden.
Auswahl Kältemittel für den R22 Ersatz
Kennzeichnend für die Großsysteme sind deren komplexer Anlagenaufbau, häufig als
weitverzweigten, historisch gewachsenen Rohrleitungssystemen ausgeführt bzw. mit überfluteten
Verdampfersystemen zur Übertragung großer Kälteleistungen ausgerüstet.
Grundsätzlich stehen vier Optionen zur Verfügung, bestehende R22 Anlagen nach 2010 weiter
zu betreiben (siehe Tabelle 3). Alle Möglichkeiten haben Vor- und Nachteile. Die beste Lösung
sollte möglichst viele positive Eigenschaften des Anforderungsprofiles einer R22 Ersatzlösung auf
sich vereinigen.
Kriterium
Recy. R22
Drop-In.
Retrofit
Neubau
Restlaufzeit
<5 a
>5 a
++
++
+
+
-
Komplexität
Einfach kompl.
++
++
+
++
++
++
++
Verdampfung
DX
ü.flutet
++
++
+
+
++
++
++
Sicherheit
gering
hoch
+
+
+
+
+
++
++
Kosten
Invest
Betrieb
++
+
++
+
+
-++
Tabelle3: Grobe Bewertung verschiedener Kriterien für den R22 Ersatz nach 2010. “+“ steht für
positive, „ - „ für eine negative Erfüllung des Kriteriums.
Rezykliertes R22 ist als eine Alternative für Systeme mit kurzer Restlaufzeit ernsthaft in Erwägung zu ziehen, da dies die wenigsten Probleme beim zeitlich begrenzten Weiterbetrieb verursacht. Lediglich die ausreichende Verfügbarkeit ist zur Zeit unklar. Die Verfügbarkeit wird wesentlich vom Verhältnis außer Betrieb genommener Anlagen zu im Betrieb verbleibender Anlagen
bestimmt. Unterschiedlichste Szenarien zur Versorgungssituation kursieren, die alle auf nachvollziehbaren Annahmen beruhen. Jede für sich ist jedoch mit erheblichen Unsicherheiten behaftet.
Mit der Nennung von Zahlen in diesem Bereich, die von einer massiven Unterversorgung bis hin
zu einem großen Überangebot reichen, werden häufig auch politische Interessen verfolgt, so daß
eine finale Einschätzung aus Gründen der Seriosität an dieser Stelle nicht vorgenommen wird.
5
Basierend auf der Annahme, daß 75% der nominal Füllmenge bei der außer Betriebnahme der
Kälteanlagen zurück gewonnen werden können und sich aufbereiten lassen.
3
Alle Angaben entsprechen nach bestem Wissen dem derzeitigen Stand der Erkenntnisse und unserer Entwicklung. Änderungen bleiben vorbehalten. Stand 07/2009
R22 Ersatz –Was ist zu beachten?
Unter Drop-In wird im allgemeinen der reine Austausch des Kältemittels verstanden, ohne
größere Umbaumaßnahmen am Kältekreis vornehmen zu müssen. Speziell das vorhandene
Kältemaschinenöl kann im Kältekreis verbleiben und kann zusammen mit dem neuen Drop-In
Kältemittel weiterbetrieben werden. Drop-In Kältemittel stellen eine interessante Alternative zum
recycelten R22 dar, wo geringe Restlaufzeiten und entsprechende Systemvoraussetzungen
erfüllt sind.
Als Retrofit wird eine aktive Anpassung des Kältesystems an den neuen R22 Ersatzstoff
verstanden. Häufig geschieht dies mit dem Austausch des Kältemaschinenöls sowie einer weitgehenden Überholung des kompletten Systems einher. Ein Retrofit ist überall dort sinnvoll, wo
längere Restlaufzeiten geplant sind, die Verfügbarkeit der Anlage (z.B. als Teil eines industriellen
Prozesses) wichtig ist und Kosten für die Umstellung und den Betrieb eine Rolle spielen.
Ein Neubau einer Anlage verspricht in Bezug auf Effizienz und Sicherheit die größten Vorteile.
Von der Kostenseite ist jedoch ein Neubau immer mit dem höchsten Invest verbunden. Häufig ist
aber aus räumlichen oder prozeßtechnischen Gründen ein Neubau z.B. wg. längerer Stillstandzeiten der Anlage nicht möglich.
Anlagentechnische Eignung von R22 Ersatzstoffen
Die anlagentechnische Eignung ist die Grundbedingung bei der Auswahl eines R22 Ersatzstoffs.
Zur anlagentechnischen Eignung gehören u.a.:
# Materialeigenschaften (Fe / Cu / Kunststoffe)
# Sicherheitsaspekte ( Toxizität und Brennbarkeit)
# das Anlagendesign (z.B. Verdampfer / Verdichter)
Die anlagentechnische Eignung eines R22 Ersatzstoff ist nicht gegeben, wenn sich die zuvor
genannten Punkte nur durch einen unverhältnismäßig hohen Aufwand bzw. überhaupt nicht lösen
lassen.
Materialeigenschaften
Probleme mit metallischen Werkstoffen bei der Umstellung auf einen R22 Ersatzstoff sind eher
selten. Als Beispiel wäre in diesem Zusammenhang der Wechsel zu NH3 in R22 Anlagen zu
nennen, in denen Cu Materialien verbaut wurden. Sowohl Kohlenwasserstoffe (KWs) als auch
HFKWs zeigen die gleiche Verträglichkeit gegenüber metallischen Werkstoffen wie R22.
Kupferplattierung kann auftreten, wenn es im Kältekreislauf zur Bildung von Säuren kommt,
deren Ursache unzureichendes Evakuieren und/oder Reste von chlorhaltigen Kältemitteln bzw.
Spülsubstanzen sind.
Anders ist das Materialverhalten gegenüber Kunststoffen und Elastomeren zu bewerten.
Kältemittel und Öl können Füllstoffe und Weichmacher aus den Elastomerwerkstoffen lösen und
diese für Ihren Einsatz in Kältekreisläufen unbrauchbar machen. Die Folgen sind der Ausfall des
Bauteils (z.B. Wellendichtring) und Ablagerungen herausgelösten Materials aus dem Elastomerwerkstoffes in den Kältekreis. R22-Kältemaschinenölsysteme zeigen gegenüber diesen Werkstoffen andere Löseeigenschaften als die Ersatzstoffe. Generell sollten daher sämtliche Kältemittel / Kältemaschinenöl berührten Elastomere und Kunststoffe bei der Umstellung auf ein neues
Kältemittel gemäß den Herstellerangaben des Bauteils ausgetauscht werden. Tabelle 4 gibt eine
Kurzübersicht über verwendbare Elastomere und Kunststoffe:
4
Alle Angaben entsprechen nach bestem Wissen dem derzeitigen Stand der Erkenntnisse und unserer Entwicklung. Änderungen bleiben vorbehalten. Stand 07/2009
R22 Ersatz –Was ist zu beachten?
Werkstoff
R22
R134a
6
Propan
R407C
R417A
R422A-D
R427A
R428A
R507
3
Ammoniak
Propylen
Mineralöl
Alkybenzol
Polyolester
NR
BR
EPDM
CR
NBR
HNBR
FKM
Kältemittel
o
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
o
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
o
o
+
+
o
o
+
+
+
+
+
+
+
+
+
o
o
+
Kältemaschinenöle
o
+
+
+
+
o
+
+
+
+
o
o
+
o
+
+
Tabelle 4: Elastomer- und Kunststoffverträglichkeit
o
+
+
+
+
+
PBT
PA
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Durch die individuelle Zusammensetzung von Weichmachern, Füllmaterialien und anderen
Additiven, zusätzlich zum Basismaterial, sollte die Verträglichkeit der verwendeten Bauteile
grundsätzlich zuvor mit dem Hersteller der Dichtungen bzw. dem Hersteller des Gesamtbauteils,
in dem das Elastomer- oder Kunststoffmaterial zum Einsatz kommt, abgestimmt werden.
Als anschauliches Beispiel, welche Auswirkung die falsche Auswahl von Dichtungsmaterialien
haben kann, zeigt Abb.1 einen zerstörten O-Ring aus Neoprene nach 24h Kontakt mit R22 / ABÖl.
Abb.1: Aufgelöster O-Ring aus Neoprene nach 24h Kontakt mit R22
6
Daten aus: „Standard Katalog“ Fa. Freudenberg, Weinheim
5
Alle Angaben entsprechen nach bestem Wissen dem derzeitigen Stand der Erkenntnisse und unserer Entwicklung. Änderungen bleiben vorbehalten. Stand 07/2009
R22 Ersatz –Was ist zu beachten?
Sicherheitstechnische Eigenschaften
R22 ist gemäß DIN EN378-1 als nicht brennbares und nicht toxisches Kältemittel der Gruppe A1
zugeordnet. Bei der Verwendung abweichend klassifizierter Kältemittel, z.B. NH3 (B2) oder
Propan (A3), ändert sich, je nach Aufstellungsort, die maximal zulässige Füllmenge an Kältemittel.
So ändert sich diese in einer direktverdampfenden R22 Anlage in einem 400m² Lager mit 3m
Höhe, welches nur autorisiertem Personal zugänglich ist, von 400kg R22 auf 50kg NH3 bzw.
25kg Propan. Etwaige Umbaumaßnahmen in zusätzliche Sicherheitstechnik bei Verwendung
eines B2 oder A3 klassifizierten Kältemittels (z.B. in ein indirektes System mit Maschinenraum)
haben Auswirkungen sowohl auf die reinen Umstellungskosten, als auch auf die späteren laufenden Betriebskosten durch den zusätzlich zu überwindenden Wärmeübergang des indirekten
Systems. Die sicherheitstechnischen Anforderungen an Kälteanlagen und Kältemittel sind in der
DIN EN378-1 beschrieben.
Anlagentechnische Eigenschaften
Bei der Berücksichtigung der anlagentechnischen Eignung spielt der Aufbau der Kälteanlage eine
Rolle, in der das R22 ersetzt werden soll. Folgende Punkte sollten dabei beachtet werden:
# keine zeotropen Gemische (Kältemittel der 400er Serie) in überfluteten Verdampfersystemen
# Sicherstellung des Ölrücktransportes bei weitverzweigten, komplex aufgebauten
Systemen
# Anpassung von Systemkomponenten an das neue Kältemittel (z.B. Trockner, Expansionsventil, ggfs. Kompressor)
# Leitungsquerschnitte bzw. sich verändernde Strömungsdruckverluste in den Rohrleitung
Generell sollte jedes einzelne Anlagenbauteil kritisch auf seine Weiterverwendbarkeit bei der
Auswahl eines Ersatzstoffes geprüft werden.
Thermophysikalische Eigenschaften
Neben den systembezogenen Randbedingungen spielen auch die thermophysikalischen
Eigenschaften eine wichtige Rolle, die richtige Auswahl des R22 Ersatzstoffs zu treffen.
Das Ersatzkältemittel ist so zu wählen, daß es von seinen thermophysikalischen Eigenschaften
sowohl für die kältetechnische Anwendung geeignet ist, als auch das R22 im bestehenden Betriebspunkt bzw. –bereich optimal ersetzen kann. In Tabelle 5 gibt Auskunft über den Normalsiedepunkt (NSP) und die kritischen Werte, die zusammen den Temperaturbereich festlegen, bei
dem das Kältemittel in einem Naßdampfprozeß betrieben werden kann.
6
Alle Angaben entsprechen nach bestem Wissen dem derzeitigen Stand der Erkenntnisse und unserer Entwicklung. Änderungen bleiben vorbehalten. Stand 07/2009
R22 Ersatz –Was ist zu beachten?
Kältemittel
R22
R134a
R290 (Propan)
Thermophysikalische Werte
NSP, °C
Tkrit., °C
pkrit., bar
-40
96
49,9
-26
102
40.5
-42
97
42
R407C
R410A
-43
-51
85
70
46
48
R417A
R422A
R422D
R427A
R428A
R507
R717
(Ammoniak)
-39
-46
-43
-43
-48
-46
-33
87
72
80
85
69
70
132
40.5
37.5
39.2
43.7
37.2
37
113
R1270
(Propylen)
-47
92
46
Bemerkung
A1 nach EN378-1
A3 nach EN378-1, erhöhte
Sicherheitsanforderung
A1 nach EN378-1, Zeotrop
A1 nach EN378-1
höhere Drucklage, Zeotrop,
A1 nach EN378-1, Zeotrop
A1 nach EN378-1, Zeotrop
A1 nach EN378-1, Zeotrop
A1 nach EN378-1, Zeotrop
A1 nach EN378-1, Zeotrop
A1 nach EN378-1
B2 nach EN378-1, erhöhte
Sicherheitsanforderungen,
Nicht in CU Systemen einsetzbar, erhöhter
Verdichterendtemperaturen
A3 nach EN378-1, erhöhte
Sicherheitsanforderungen
Tabelle 5: Temperatur-Einsatzbereich der verschiedenen Kältemittel
Die Verdampfungstemperatur der Kälteanlage sollte nicht unterhalb des NSP liegen, um ein Eindringen von Luft in das System zu vermeiden. Auf Seite des Verflüssigers ist die Obergrenze sowohl von der kritischen Temperatur als auch von dem max. Kondensationsdruck abhängig, der
durch den maximalen Betriebsdruck der Anlage festgelegt ist.
Ein weiteres Auswahlkriterium ist die energetische Eignung, R22 zu ersetzen. Als Eckwerte
dienen hierbei die Leistungszahl (COP) und die volumetrische Kälteleistung (Qvol.). Der COP gibt
Auskunft über die Effizienz, mit der die Kälteanlage betrieben werden kann. Qvol. -definiert als
Verhältnis der Kälteleistung zum Gasvolumen im Ansaugzustand- ist mehr noch als der COP von
der Auswahl des Kältemittels abhängig und gibt Auskunft, ob die Leistung nach der Umstellung
auf ein neues Kältemittel unter Beibehaltung bestehender Anlagenkomponenten erreicht werden
kann oder nicht. Dies ist wichtig, wenn die bestehende R22 Anlage bereits an ihrer Leistungsgrenze betrieben wird bzw. Komponenten wie z.B. das Expansionsventil oder der Kompressor an
einen höheren Volumenstrom angepaßt werden müssen, um die erforderliche Leistung bereitstellen zu können.
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Alle Angaben entsprechen nach bestem Wissen dem derzeitigen Stand der Erkenntnisse und unserer Entwicklung. Änderungen bleiben vorbehalten. Stand 07/2009
R22 Ersatz –Was ist zu beachten?
In Abb.2 ist die Leistungszahl (COP) verschiedener R22 Ersatzstoffe für einen einfachen
Kreislauf über die Verdampfungstemperatur bei einer festen Kondensationstemperatur von 30°C
aufgetragen. Die Bewertung beruht auf einer theoretischen Simulationsrechnung, die die unterschiedlichen Wärmeübertragungseigenschaften unberücksichtigt läßt.
COP von R22 Ersatzstoffen über
der Verdampfungstemperatur
5
NH3, R134a
Propan
R1270
R22
0
R410A
R507
-5
R428
-10
R422A
-15
R417A
R422D
-20
Abweichung zu R22, %
R427A
R407C
Werte berechnet mit Refprop 8.0
für einen einfachen Kreislauf:
Tc= 30°C, Tüberh.=6K, Tunterk.=2K
-25
-30
-40
-30
-20
-10
0
10
20
Verdampfungstemperatur, °C
Abb.2: COP Vergleich verschiedener R22 Substitute
Die besten Leistungszahlen, bezogen auf R22, liefern Propan und Propylen (R1270), die über
den gesamten Verdampfungstemperaturbereich ähnliche Leistungszahlen liefern, wie R22. NH3
und R134a schneiden bei hohen Verdampfungstemperaturen besser ab, sind aber im Tieftemperaturbereich etwas weniger effizient, verglichen zu Propan und R1270. Hierbei unberücksichtigt
ist, daß NH3, Propan und R1270 in vielen Anwendungen aus Sicherheitsgründen nur als
indirekte Systeme ausgeführt werden können. Entsprechend würden sich in der Praxis deren
COPs durch den zusätzlichen Wärmeübergang verschlechtern und weichen von den hier
berechneten ab.
Das azeotrope R507 schneidet in dieser Betrachtung am besten von allen Blends ab und zeigt
eine relative konstante Abweichung zu R22 von ca. 5% über den betrachteten Verdampfungstemperaturbereich.
Die zeotropen Blends liegen im unteren Bereich beim Vergleich der Leistungszahlen zu R22 bei
verschiedenen Verdampfungstemperaturen.
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R22 Ersatz –Was ist zu beachten?
Qvol. von R22 Ersatzstoffen bei
verschiedenen Verdampfungstempetarturen
60
R410A
40
Werte berechnet mit Refprop 8.0
für einen einfachen Kreislauf:
Tc= 30°C, Tüberh.=6K, Tunterk.=2K
R428
R507
NH3
R422A
R1270
R407C
R422D
R427A
Propan
R417A
R134a
20
R22
0
-20
Abweichung zu R22, %
-40
-60
-40
-30
-20
-10
0
10
20
Verdampfungstemperatur, °C
Abb.3: Vergleich der volumetrischen Kälteleistung verschiedener R22 Substitute
Für den Weiterbetrieb einer Anlage ist die erzielbare Kälteleistung häufig kritischer zu bewerten,
als die Effizienz, die sich prinzipiell über einen höheren Energieeinsatz – wenn auch aus ökologischer und ökonomischer Sicht bedenklich – ausgleichen läßt. Mangelnde volumetrische Kälteleistung läßt sich jedoch nicht ohne massive Eingriffe in die Anlage ausgleichen, wenn im bestehenden Betrieb keine Leistungsreserven vorhanden sind und die Anlage an ihrem Leistungslimit
gefahren wird. Besonders kritisch ist diese Situation, wenn die R22 Anlage Teil einer Produktion
ist bzw. hohe Werte von der Leistung abhängen, wie z.B. in einem Nahrungsmittellager.
Kältemaschinenöle für R22-Nachfolgekältemittel
In den zahlreichen R22- Anwendungen, insbesondere im Bereich der Gewerbe- und Industriekälte, werden heute als Schmierstoffe in der Regel mineralölbasierende Kältemaschinenöle
(Normalkühlung) oder Alkylbenzolöle (bessere Mischbarkeit mit R22, daher insbesondere für tiefe
Verdampfungstemperaturen/Tiefkühlung geeignet) eingesetzt.
Bei der Frage nach einem geeigneten Nachfolgekältemittel kommen verschiedene Kältemittel/
Kältemaschinenöl-Konzepte in Betracht:
# einmal der bloße Austausch von R22 gegen eine HFKW-Mischung mit geringem
Kohlenwasserstoffanteil als Drop-In-Verfahren ohne Ölwechsel - das Schmieröl auf Basis
von Mineralöl (MO) oder Alkylbenzol (AB) verbleibt in der Anlage
9
Alle Angaben entsprechen nach bestem Wissen dem derzeitigen Stand der Erkenntnisse und unserer Entwicklung. Änderungen bleiben vorbehalten. Stand 07/2009
R22 Ersatz –Was ist zu beachten?
#
und zum anderen der komplette Wechsel von Öl und Kältemittel (Retrofit) zu einem
reinen HFKW-Kreislauf mit dem dafür geeigneten synthetischen Kältemaschinenöl auf
Basis von Polyolester (POE). Die Nennviskosität des benötigten Polyolesters entspricht
hierbei derjenigen des Mineral-/Alkylbenzolöls für R22.
Als Drop-in-Kältemittel, die mit mineralöl- und alkylbenzolbasierenden Kältemaschinenölen, wie
sie in den R22-Anlagen verwendet werden, lt. Hersteller einsetzbar sein sollen, werden Fluide
wie R422D, R422A oder R417A empfohlen. R422A wird allerdings in erster Linie als Nachfolgekältemittel für R502 gesehen. Alle diese Mischungen bestehen überwiegend aus den beiden
HFKW-Kältemitteln R134a und R125 und enthalten daneben einen kleinen Kohlenwasserstoffanteil (KW) von 3,4% iso- bzw. n-Butan (siehe Tabelle 6).
Als Retrofit-Kältemittel, bei deren Einsatz ein Wechsel des Kältemaschinenöltyps erforderlich ist,
sind R404A , R427A und R507 als mögliche Alternativen zu R22 zu nennen.
Bei der Beschäftigung mit dem jeweiligen Verdichterschmierstoff rücken Themen wie Kältemittelmischbarkeit, Verschleißschutz und Wasseraufnahmebestreben (Hygroskopie) des Kältemaschinenöles in den Vordergrund.
Kältemittel
R22
R502
R404A
R417A
R422A
R422D
R427A
R507
Zusammensetzung (%)
R22 (100)
R22 / R115 (48.2 / 51.2)
R125 / R143a / R134a (44 / 52 / 4)
R125 / R134a / R600 (46.6 / 50 / 3.4)
R125 / R134a / R600a (85.1 / 11.5 / 3.4)
R125 / R134a / R600a (65.1 / 31.5 / 3.4)
R32 / R125 / R143a / R134a (15/25/10/50)
R125 / R143a (50 / 50)
Geeignetes Kältemaschinenöl
MO / AB
MO / AB
POE
MO / AB / POE
MO / AB / POE
MO / AB / POE
POE
POE
Tabelle 6: R22 Nachfolgekältemittel mit geeigneten Kältemaschinenölen. MO (Mineral Öl), AB
(Alkylbenzol Öl), POE (Polyolester Öl)
Kältemittelmischbarkeit
Mit der Entwicklung der teilchlorierten HFCKW-Kältemittel (z.B. R22, R123, R124 und R22Mischungen) wurden Alkylbenzolöle wegen ihrer vollständigen Mischbarkeit mit dieser Kältemittelklasse als Kältemaschinenöle eingeführt (s. Abb. 4). Auch Mineralöle weisen zumindest im
Bereich kleiner Ölumlaufraten eine zufriedenstellende Mischbarkeit mit R22 auf (s. Abb. 5).
Beim Ersatz des R22 durch die beschriebenen alternativen Kältemittel ergeben sich hinsichtlich
der Mischbarkeit folgende Szenarien:
Stellvertretend für die Gruppe der reinen Drop-in-Kältemittel wurden bei FUCHS Mischbarkeitsuntersuchungen mit R422D durchgeführt. Die vom Hersteller empfohlenen Öltypen Mineralöl
und Alkylbenzolöl (AB) haben sich dabei sowohl bei höheren als auch bei niederen Konzentrationen als nicht mischbar mit dem Kältemittel erwiesen (siehe Abb. 6). Beide Schmierstofftypen
bilden bereits bei kleinen Konzentrationen eine eigene Phase aus (siehe Abb. 7). Ein Öltransport
innerhalb der Kälteanlage insbesondere im Verdampfer bei entsprechend niedrigen Temperaturen kann nur auf dem Wege erfolgen, dass das Öl als eigene Phase innerhalb des flüssigen
Kältemittels transportiert wird. Dem enthaltenen Anteil an Isobutan (R600a) kommt hierbei der
Part eines Ölverdünners zu. Das Gas führt durch seine hohe Löslichkeit in Mineralöl dazu, dass
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Alle Angaben entsprechen nach bestem Wissen dem derzeitigen Stand der Erkenntnisse und unserer Entwicklung. Änderungen bleiben vorbehalten. Stand 07/2009
R22 Ersatz –Was ist zu beachten?
sich sein Anteil am Kältemittelgemisch in die Schmierstoffphase verlagert. Dadurch tritt eine
Viskositätserniedrigung auf, die in einer besseren Fließfähigkeit des Schmierstoffs resultiert.
Obwohl keine homogene Mischbarkeit, wie man sie von POE/HFKW-Systemen kennt, vorliegt,
scheint es in einigen bereits von R22 auf R422D umgestellten Anlagen zu keinen größeren
Problemen beim Öltransport zu kommen.
Ob dieser Verdünnungseffekt allein ausreicht, um auch in großen, verzweigten Rohrleitungssystemen das Öl im Umlauf zu halten, muss sicherlich kritisch betrachtet werden. Auch bei hohen
Ölzirkulationsraten in der Anlage oder hohen Flüssigkeitsvolumina im Receiver kann die
schlechte Mischbarkeit mit Mineral- bzw. Alkylbenzolöl problematisch sein. Durch einen Ölwechsel von Mineral-/Alkylbenzolöl zu POE können durch Entmischung verursachte Probleme
vermieden werden: R422A, R422D und R417A sind in Verbindung mit POE über den ganzen
Konzentrationsbereich voll-mischbar (siehe Abb. 8).
Ein vom Kältemittelhersteller genannter nur teilweiser Ersatz von Mineral-/Alkylbenzol durch POE
kann nicht empfohlen werden, da dies in vielen Fällen zu erhöhter Schaumneigung im Verdichterkurbelgehäuse, gestörter Ölrückführung und nicht eindeutig definierten Schmierungszuständen führen kann.
120
100
80
90
60
temperature (°C)
temperature (°C)
60
]
]
oC
[
er
tua
re
p
m
te
Vollständige
Mischbarkeit: Öl komplett
gelöst im Kältemittel
40
oC
[
er
tua
re
p
m
te
Vollständige Mischbarkeit: Öl
komplett gelöst im Kältemittel
30
20
0
0
Trennung in Ölund
Kältemittelphase
-20
-30
-40
-60
0
10
20
30
40
50
-60
60
concentration
(mass%
oil inoil
R22)
concentration
[mass%
in R22]
0
10
20
30
40
50
60
concentration
(mass%
oil inoil
R22)
concentration
[mass%
in R22]
Abb.4: Mischbarkeitsverhalten von RENISO
SP 32 (alkylbenzol-basierend) mit R22
Abb. 5: Mischbarkeitsverhalten von
RENISO KM 32 (mineralöl-basierend) mit
R22
11
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R22 Ersatz –Was ist zu beachten?
20
10
0
Trennung in Öl- und
Kältemittelphase
]
-10
temperature (°C)
oC
[
reu
atr -20
ep
m
et
-30
Abb. 7: 2-Phasensystem Kältemittel R422D
(farblos) – mineralölbasierendes
Kältemaschinenöl RENISO KM 32 (gelblich)
-40
-50
-60
0
10
20
30
40
50
60
concentration
concentration[mass%
(mass% oil
oil in R422
R22) D]
Abb. 6: Mischbarkeitsverhalten von RENISO
KM 32 (mineralöl-basierend) mit R422D
20
120
10
90
0
]
oC
[
reu
atr 30
ep
m
et
temperature (°C)
temperature (°C)
]
oC
[
reu
ta -20
re
p
m
et
Trennung in Öl- und
Kältemittelphase
60
Vollständige Mischbarkeit: Öl
komplett gelöst im Kältemittel
-10
-30
0
-40
Vollständige Mischbarkeit: Öl
komplett gelöst im Kältemittel
-30
-50
-60
-60
0
10
20
30
40
50
60
0
10
20
30
40
50
60
70
concentration
%oil
oilininR22)
R507]
concentration[mass
(mass%
concentration
oilininR22)
R422 D]
concentration [mass%
(mass% oil
Abb.8: Mischbarkeitsverhalten von RENISO
TRITON SEZ 32 (polyolester-basierend) mit
R422D
Abb. 9: Mischbarkeitsverhalten von RENISO
TRITON SEZ 32 (polyolester-basierend) mit
R507A
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R22 Ersatz –Was ist zu beachten?
Reine HFKW-Kältemittel zeigen ebenfalls eine gute Mischbarkeit mit POE-Ölen. Insbesondere
bei tiefen Temperaturen < 7°C liegt im System R507-Polyolester vollständige Mischbarkeit vor (s.
Abb. 9). Damit besteht im hinsichtlich einer möglichen Ölablagerung kritischen Verdampferteil der
Kälteanlage nicht die Gefahr einer Phasentrennung. Öl bleibt im Kältemittel in jedem Fall gelöst
und kann auch in weitläufigen Rohrleitungsnetzen sicher in Richtung des Verdichters transportiert
werden.
Ölviskosität und Verschleißschutz
Die Verschleißschutzeigenschaften von chlorhaltigen Kohlenwasserstoffen sind hinreichend bekannt. Solche Stoffe wurden bis vor kurzem noch insbesondere in Form von Chlorparaffinen für
Metallbearbeitungsflüssigkeiten zur Verbesserung der Schmierungseigenschaften eingesetzt.
Heute jedoch werden sie aus Umweltschutzgründen kaum noch verwendet.
Auch chlorhaltige Kältemittel wie R22 haben eine verschleißschützende Wirkung. Durch die hohe
Einlösung dieser HFCKW-Kältemittel in mineralölbasierenden Kältemaschinenölen (analog Alkylbenzolen) ergibt sich ein leistungsfähiges System im Hinblick auf den Schutz der Metalloberflächen vor Materialabtrag. Beim Wechsel auf HFKW/KW-Kältemittel und Beibehalten der Ölsorte
wird dieser Wegfall der verschleißschützenden Chlorverbindungen nicht kompensiert: das Mineralöl muss ohne diese hilfreichen Reaktionspartner im Schmierspalt vor Abrieb schützen.
Bei der Substitution des R22 durch reine HFKW-Kältemittel wird gleichzeitig das Verdichteröl
gegen einen POE-Schmierstoff ausgetauscht. POE haben wesentlich günstigere Schmierungseigenschaften als Mineralöle/Alkylbenzole. Zum einen aufgrund des chemischen Aufbaus zum
anderen aufgrund des günstigeren VT-Verhaltens. Ein Maß für dieses VT-Verhalten ist der Viskositätsindex (VI) – je höher der VI desto geringer die Temperaturabhängigkeit der Viskosität des
Schmierstoffes, was für die Praxis von Vorteil ist, wie sich im folgenden Beispiel sehen lässt
(s. Abb. 10).
Bei erhöhten Temperaturen (>60-80°C) wie sie in den Schmierspalten der Verdichterbauteile (z.B.
Lager, Ventile, Kolben) herrschen, nimmt die Viskosität eines nominell äquiviskosen POE (POE
Oil: high VI = hoher Viskositätsindex (VI)) im Vergleich zu einem konventionellen mineralölbasischen Kältemaschinenöl (Mineral Oil: low VI = niedriger Viskositätsindex) weniger stark ab.
Es bildet sich ein höher-viskoser und damit tragfähigerer Schmierfilm aus. Der Verschleißschutz
durch POE-Öl ist deutlich höher.
Im Hinblick auf die kinematische Viskosität eines neu einzusetzenden Kältemaschienöles auf
POE-Basis sowohl für R422A, R422D und R417A als auch für R507 kann daher generell ein
Produkt mit der gleichen Ausgangsviskosität wie das für R22 eingesetzte Mineral-/Alkylbenzolöl
empfohlen werden. Es sollte jedoch mit dem betreffenden Verdichterhersteller Rücksprache
gehalten werden.
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R22 Ersatz –Was ist zu beachten?
Abb. 10: Kältemaschinenöle auf POE-Basis: günstiges Viskositäts-Temperatur-Verhalten / hoher
Viskositätsindex
Hygroskopie
Kältemaschinenöle auf Basis von Polyolestern (POE) haben im Vergleich zu mineralöl-/alkylbenzolbasierenden Produkten ein wesentlich stärkeres Wasseraufnahmebestreben (Hygroskopie).
Diese Eigenschaft beschreibt das Vermögen, aus der Umgebungsluft, die immer mit einer gewissen Feuchte behaftet ist, Wasser aufzunehmen und verhältnismäßig stark zu binden. Der
Wassergehalt solcher hygroskopischer Öle - in erster Linie POE und in noch stärkerem Maße
Polyalkylenglykole (PAG) - kann schon durch relativ kurzen Kontakt zur Umgebungsluft sehr
stark ansteigen auf Werte, die einen unkritischen Einsatz des Kältemaschinenöls in der Kältemaschine ausschließen.
Die Ergebnisse aus einem Versuch zum Anstieg des Wassergehaltes von Kältemaschinenölen
bei der Lagerung in unverschlossenen Gebinden ist in Abb. 11 dargestellt. Deutlich ist der zunehmende Wassergehalt der POE- und PAG-Öle schon nach relativ kurzem Luftkontakt zu erkennen.
Bei dem untersuchten POE der Viskositätsklasse ISO VG 32 bemerkt man beispielsweise einen
deutlichen Anstieg des Wassergehaltes von 30 auf 280 ppm nach 4 h Lagerung im offenen
Gebinde. Damit ist der Frischölwert gem. DIN 51503-1 von max. 100 ppm deutlich überschritten.
Das Phänomen der Hygroskopie der POE-Kältemaschinenöle ist seit der Einführung der
HFKW/FKW-Kältemittel jedoch bekannt und kann durch angemessene Sorgfalt im Umgang mit
den Schmierstoffen, wie z.B. Lagerung nur in verschlossenen Originalgebinden und Vermeidung
von Luftkontakt sicher beherrscht werden.
Mineralöle und Alkylbenzole als Grundstoffe für Schmierstoffe für R422A, R422D und R417A
haben ein deutlich schwächeres Bestreben, Wasser aufzunehmen. Jedoch muss auch hier auf
Sorgfalt bei der Handhabung geachtet werden, um Feuchtigkeitseintrag in den Kätekreislauf
auszuschleißen.
Bei einem Wechsel von R22/Mineralöl (Alkylbenzol) auf ein System R507/POE ist anlagenseitig
lediglich die Kapazität der Trockner in der Umstellungsphase öfter zu überprüfen und ggf. sind
die Trockner entsprechend auszutauschen. Desweiteren ist eine Kontrolle des Wassergehaltes
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R22 Ersatz –Was ist zu beachten?
des Schmieröls nach beendetem Kältemittel-/Öltausch erforderlich. Der Wassergehalt sollte sich
im Bereich unter 100 ppm befinden. Bei hohen Wasserkonzentrationen im Öl (> 200 ppm)
besteht u.a. die Gefahr von korrosivem Angriff der Metalloberflächen und Kupferplattierung
(Ausbildung von Kupferschichten auf mechanisch stark belasteten Oberflächen z.B. in Lagern) im
Kompressor. Es sollte dementsprechend bei solchen Wasserwerten eine Überprüfung der Anlage
bzw. ein Ölwechsel erfolgen.
Abb. 11: Hygroskopie von Kältemaschinenölen auf Basis von Polyolestern (POE) und
Polyalkylenglykolen (PAG)
Ablagerungsneigung und Abreinigungseffekte
Aufgrund Ihrer guten Lösemitteleigenschaften können durch POE-basierende Kältemaschinenöle
Ablagerungs- und Zersetzungsprodukte vorher eingesetzter Öl/R22-Systeme sowie Schmutz aus
der Anlage gelöst werden. Diese Verunreinigungen der Anlage werden vom POE-Kältemaschinenöl in Schwebe gehalten (dispergiert) und/oder im Filtertrockner abgeschieden. Eventuell
müssen größer dimensionierte Filter in der Saugleitung montiert werden, um der gestiegenen
Menge an abgelösten Feststoffen Rechnung zu tragen. Da der reiningende Prozess der POEKältemaschinenöle allerdings nicht schlagartig abläuft, ist mit einer Störung der Anlage z.B. durch
eine plötzliche Filterblockade nicht zu rechnen.
Eine Ölanalyse nach ca. 500 bis 1000h Betriebsstunden kann Aufschluss darüber geben, wie
hoch der Anteil an Altablagerungen, die auch den Wärmeübergang negativ beeinflussen können,
ist. Ist der Abreinigungseffekt durch das POE –Öl nach einer Anfangsbetriebsphase abgeschlossen, bleibt die im Hinblick auf die Effizienz der Anlage dauerhaft positive Wirkung durch die
Sauberkeit des Systems bestehen.
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R22 Ersatz –Was ist zu beachten?
Wird in R422A/R422D/R417A- oder R507–Anlagen POE –Öl eingesetzt, so erhöht sich hierdurch
die thermische Belastbarkeit des Schmierstoffsystems im Vergleich zum im R22-Kreislauf verwendeten Mineral-/Alkylbenzolöl. Es treten an heißen Stellen wie z.B. Ventilplatten weniger
Verklebungen/Verlackungen auf und die Lebensdauer der Ölfüllung wird durch die höhere
thermische Stabilität verlängert. Die höheren Anschaffungskosten des POE-Kältemaschinenöles
im Vergleich zu Mineral-/Alkylbenzolöl können durch diese verlängerten Ölwechselintervalle
kompensiert werden.
Ölanalysen
Analysen von Ölproben aus der Anlage können belegen, ob der Umstieg von R22/Mineralöl auf
HFKW/POE-Öl als erfolgreich und abgeschlossen bezeichnet werden kann oder ob weitere Maßnahmen wie Filter/Trockner- oder Ölwechsel notwendig sind. Zum Umfang einer aussagekräftigen Ölanalyse hinsichtlich des Status der Umrüstung der Anlage gehören die Bestimmung
des Wassergehaltes, des Restmineralölgehaltes (durch Vermischung von Restmengen von
Kältemaschinenöl aus dem R22-System mit neubefülltem POE) und der Verschmutzungsgrad.
Dem Gehalt an noch im POE enthalten Mineralöl aus dem R22-Betrieb kommt hierbei eine besondere Bedeutung zu. Bei Restgehalten von maximal 4% Mineralöl kann auch bei tiefen
Verdampfungstemperaturen von -35°C und darunter noch ein funktionierender Öltransport garantiert werden. Bei höheren Mineralölkonzentrationen können Ölrückführung und Wärmeübergang
durch Entmischungszustände zwischen Schmierstoff- und Kältemittelphase behindert werden.
Hinsichtlich der Bestimmung des Wassergehaltes nach der Karl-Fischer Methode (DIN 51777
Teil1 - direkte Methode: ausschließlich für unadditivierte Kältemaschinenöle / Teil 2 - indirekte
Methode: sowohl für unadditivierte als auch für additivierte Öle) ist darauf zu achten, dass bei der
Ölentnahme nur gasdichte Glasflaschen verwendet werden, um eine Beeinträchtigung der Werte
durch Eindringen von Luftfeuchtigkeit in das Probengefäß ausschließen zu können. In Abb. 12
sind solche geeigneten Probenflaschen – Laborglasflaschen mit speziell abdichtendem Schraubverschluss zu erkennen.
Abb. 12: spezielle, gasdichte Probengefäße für die Analyse von Kältemaschinenölproben
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Alle Angaben entsprechen nach bestem Wissen dem derzeitigen Stand der Erkenntnisse und unserer Entwicklung. Änderungen bleiben vorbehalten. Stand 07/2009
R22 Ersatz –Was ist zu beachten?
Arbeitssicherheit
Beim Wechsel von R22 auf R422A, R422D und R417A werden durch den Anteil an brennbarem
Kohlenwasserstoff erhöhte Anforderungen an die Arbeitssicherheit gestellt. Durch geeignete
Arbeitsanweisungen im Rahmen von Instandsetzungsarbeiten/Wartungen ist sicherzustellen,
dass keine zündfähige Atmosphäre entsteht. Hierbei muss insbesondere auch eine mögliche Aufkonzentrierung von Kohlenwasserstoff im Mineralöl durch die hohe gegenseitige Löslichkeit beachtet werden. Reine HFKW-Kältemittel wie R507 unterliegen analog R22 aufgrund Ihrer
Nichtbrennbarkeit keinen zusätzlichen Sicherheitsauflagen.
Umweltaspekte
Sowohl HFCKWs (z.B. R22) als auch HFKWs (z.B. R507) haben negative Auswirkungen auf die
Umwelt, wenn sie aus dem geschlossenen Kältekreislauf in die Atmosphäre emittieren. Dieses zu
verhindern ist Ziel der - bereits erwähnten - EG2037/2000 und F-Gas VO, sowie deren nationalen
Durchführungsverordnungen.
Gefährdungen für die Umwelt, die vom Kältemaschinenöl ausgehen, beschränken sich im
wesentlichen auf etwaige Verschmutzungen von Gewässern und Erdböden.
Für beide Arbeitsstoffe gilt, die Hinweise zum Umgang zu beachten, wie sie in den Sicherheitsdatenblätter hinterlegt sind. Sicherheitsdatenblätter sind vom Großhändler und den Herstellern der Kältemittel und Kältemaschinenöle z.B. unter www.ghc.com, www.solvay-fluor.com
oder www.fuchseurope.com erhältlich.
Leitfaden zur Umrüstung von R22-Kälteanlagen auf R507
Grundsätzlich ist bei der Umrüstung einer größeren R22-Kälteanlage (> 100kg) auf R507 von
einem größeren Eingriff von einem Umbau der Anlage auszugehen.
Insbesondere überflutete Verdampfersysteme und R22-Pumpenkälteanlagen mit dezentralen
Verbrauchern sind hierbei gewissenhaft auf ihre Eignung zur Umrüstung auf R507 zu prüfen.
Da auch die umgerüstete Kälteanlage mit einem druckverflüssigten Arbeitsstoff arbeiten wird, der
keinen Leckageverlusten unterliegen darf, ist der langfristige Erfolg der Umrüstung nur durch
sorgfältiges Arbeiten, durch Auswahl geeigneter Komponenten und Arbeitsschritte sowie nachfolgende Wartung der Anlage nach Abschluß der Umrüstung zu erreichen.
Da die Arbeitsstoffe, das Kältemittel und das Kältemaschinenöl, geändert werden, ist die
Betriebsanleitung, Dokumentation und arbeitssicherheitstechnische Unterweisung der Mitarbeiter
entsprechend zeitgleich zur Umrüstung zu überarbeiten bzw. durchzuführen.
Prüfung der Wirtschaftlichkeit
Ausgehend vom Anlagenalter, Anlagenzustand und realistischer Restnutzungszeit ist das Vorhaben der Umrüstung mit dem Anlagenbetreiber zu diskutieren.
Folgende Aspekte sind hierbei zu beachten:
• Wartungs-, Reparatur-, und Energiekosten der letzten 3 Jahre
• Änderungen bei Strom- und Wasserkosten
• Abschreibungszeitraum
• Änderungen im Prozeßablauf des Betreibers in der Peripherie der Anlage
• Budget des Betreibers für Umrüstung
• Mögliche Änderungen bzgl. Effizienz und Leistung der Anlage nach erfolgter Umrüstung
17
Alle Angaben entsprechen nach bestem Wissen dem derzeitigen Stand der Erkenntnisse und unserer Entwicklung. Änderungen bleiben vorbehalten. Stand 07/2009
R22 Ersatz –Was ist zu beachten?
Vergleich der Betriebsparameter R22/R507
Bei der Prüfung einer Umrüstung auf R507 ist eine Berechnung des bestehenden Kältekreislaufes vor und nach Umstellung der Anlage zwingend geboten. Insbesondere Änderungen bei
Kondensations- und Mitteldrücken sind hierbei zu betrachten. Ferner sollten bei der Umrüstung
von R22 auf R507 Änderungsmöglichkeit zur Optimierung bzw. zur Nutzung der abweichenden
Fluideigenschaften von R507 gegenüber R22 überprüft werden. In Tabelle 7 sind verschiedene
Konzepte bei gleichen Randbedingungen bzgl. Temperatur und Leistung gegenübergestellt.
Aufgrund seines günstigen thermo-physikalischen Verhaltens tendiert R507 zu niedrigeren
Verdichterendtemperaturen als R22. Dieser Vorteil kann beispielsweise durch Einbau eines
inneren Wärmetauschers (IWT) genutzt werden. Nach Tabelle 7 wird dadurch der relative Effizienzverlust zwischen den Kreisläufen R22 einfach / R507 einfach und R507 IWT von 10% auf
3% reduziert werden. Gleichzeitig erhöht sich beim Einsatz des IWT die volumetrische Kälteleistung. Dies schafft bei gleichem Fördervolumen des Kompressors zusätzliche Leistungsreserven der Kälteanlage.
Der Einsatz eines Schraubenkompressors mit Economizer mit R507 bringt eine geringe Leistungssteigerung, liefert aber mit dem gleichen R22 Aggregat eine ca. 10%ige Steigerung der
Kälteleistung bei gleicher Drehzahl.
Wichtig ist darauf zu achten, daß der Antriebsmotor nach der Umstellung auf R507 genügend
Leistungsreserve hat. Ist dies nicht der Fall, muß eine Anpassung des Motors vorgenommen
werden.
7
Parameter
Q0, kW
t0, °C
tC; °c
Tüberh., K
Tunterk., K
tend, °C
pc, bar
COP
Qvol., kJ/m³
Fördervol., m³/h
Bemerkung
Auswahl Bitzer
pm(ECO), bar
Q0, kW
Motor, kW
8
R22 einfach
60
-10
40
7
2
83,9
15,3
3,21
2353
91,8
6H.2
59,1
22
R22 ECO
60
-10
40
7
2
92.4
15,3
3.09
2734
71,0ND/74,0HD
ECO: ΔT 5K;
Tü 7K
OSK5341-K
4,52
61,4
22
R507 einfach
60
-10
40
7
2
58,0
18,7
2,87
2385
90,5
6H.2Y
59,2
30
R507 ECO
60
-10
40
7
2
61,0
18,7
2,90
3081
63,0ND/59,0HD
ECO: ΔT 5K;
Tü 7K
OSK5341-K
6,85
67,8
30
R507 IWT
60
-10
40
7
2
94,0
18,7
3,11
2631
82,0
ΔT IWT 5K
−
−
−
Tabelle 7: Gegenüberstellung der Betriebsparameter verschiedener Systemvarianten bei der
Umstellung von R22 auf R507
Die tabellarische Gegenüberstellung von alten und neuen Betriebsparametern sollte Vertragsgegenstand sein.
7
8
Daten berechnet mit Solkane 6.01
Daten berechnet mit dem Auslegungsprogramm der Fa. Bitzer Version 5.02
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R22 Ersatz –Was ist zu beachten?
Prüfung Komponenten und Verbraucher gemäß Herstellervorgaben
Ausgehend von den Werten aus dem Vergleich der Betriebsparameter ist für jede Komponente
des vorhandenen Kühlkreislaufes die technische Eignung der Baugruppe bei Betrieb mit R507
nachzuweisen.
Dabei ist auch auf Dichtwerkstoffe und die Leistungsfähigkeit von Drosselorganen mit den neuen
Betriebsmitteln zu achten. R22 besitzt andere Lösungseigenschaften als R507. Dichtwerkstoffe
können davon direkt betroffen sein. Ein Nachweis der Verträglichkeit aller verbauten Dichtwerkstoffe gegenüber dem geänderten Kältemittel (R507) und dem verwendeten Kältemaschinenöl ist zwingend notwendig.
Betriebliche Vorplanung
Da die Betreiber Kälteanlagen nicht zum Selbstzweck betreiben und insbesondere größere R22Anlagen häufig elementare Produktionsfaktoren darstellen, ist die ausführliche Planung einer Umrüstung auf neue Kältemittel / Öle unablässig zur Sicherstellung des wirtschaftlichen Erfolgs aller
Beteiligten.
Zeitplan
Basis für ein erfolgreiche Kältemittel / Kältemaschinenöl-Umrüstung ist ein ausführlicher Zeitplan,
in dem festgelegt wird, welche Vorleistungen, Hauptleistungen und baulichen Leistungen, zu
welchem Zeitpunkt und von welcher Vertragspartei zu erbringen sind.
Mögliche Betriebsunterbrechungen, auch während Inbetriebnahme bzw. Phasen mit reduzierter
Leistung, sind eingehend zwischen den beiden Vertragsparteien herauszuarbeiten.
Ein Zeitplan sollte Bestandteil des Vertrages sein.
Ersatzkälteversorgung / Notbetrieb
Ausgehend vom Zeitplan ist bei längeren Leistungsstörungen für die Produktion, die Bereitstellung von Ersatzkälteanlagen (z.B. Mietaggregate) bzw. die separate Realisierung eines Notbetriebes zu prüfen und gegebenenfalls umzusetzen.
Wichtig ist hierbei die frühzeitige Klärung dieser Punkte, um eine kostengünstige und sichere Versorgung für den Umbauzeitraum bereitzustellen.
Vertragliche Gestaltung
Da die Umrüstung einer bestehenden R22-Kälteanlage eine umfangreiche und kostenintensive
Maßnahme darstellt, ist eine umfangreiche vertragliche Fixierung notwendig. Diese sollte
folgende Punkte umfassen:
• Festlegung von Lieferein- und -ausschlüssen
Je Umfangreicher die Auflistung, desto transparenter ist das Vorhaben für alle Beteiligten
von Beginn an.
• Garantiewerte Kälteleistung / zeitlicher Ablauf
Siehe Parametervergleich und Zeitplan
• Garantien und Gewährleistungen
Der Garantie- und Gewährleistungsumfang der vereinbarten Kältemittel-/ und ÖlUmrüstung sollte klar umrissen werden.
Die Übernahme von Garantie und Gewährleistungszusagen für Altkomponenten ist zu
vermeiden. Des weiteren ist möglichen Kältemittelverlusten und zusätzlichen Ölwechseln
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R22 Ersatz –Was ist zu beachten?
•
•
ein erhöhtes Augenmerk zu widmen, um hier nicht unkalkulierbare Kosten für den
Anlagenbauer zu erzeugen.
Haftungsein- und -ausschlüsse
Wichtig ist hierbei, daß sich beide Vertragspartner über die Grundlage von Haftung,
Folgeschadenhaftung (inkl. möglicher Produktionsausfälle) und auch
Bearbeitungsschäden offen auseinandersetzen.
In der Regel ist ein pauschal gehaltenes Einkaufs-AGB für die vorgenannten
Umrüstungsarbeiten ungeeignet und eine individuelle Bearbeitung bzw. ein individueller
Vertrag ist anzustreben.
Arbeitssicherheit und Umweltschutz
Im Vertrag sollte das Thema Arbeitssicherheit und Umweltschutz fixiert werden.
Das Thema Arbeitssicherheit ist, mittels einer Gefahrenanalyse und Mitarbeiterbelehrung,
zu behandeln und zu protokollieren. Der Umweltschutz ist, auf betriebliche, örtliche und
gesetzliche Belange hin zu beachten.
Die Beseitigung und Vermeidung von Abfällen ist zu klären. Bei Altanlagen ist
möglicherweise noch mit asbesthaltigen Abfällen (Dichtungen) zu rechnen. Grundsätzlich
ist der Eigentümer / Betreiber der Abfallerzeuger und zur ordnungsgemäßen
Abfallbehandlung verpflichtet.
Beschaffung von Materialien und Komponenten
Bei der Entsorgung und Reinigung vor Ort sind folgende Werkzeuge, Arbeits- und Betriebsstoffe
sind vorzuhalten:
• persönliche Sicherheitsausrüstung gem. BGR500
• Kältemittelrecycling – Behälter
• Ölauffangbehälter / Recyclingbehälter
• Waage
• Absaugaggregate / Vakuumpumpe
• Lecksuchgerät
• Monteurhilfe
• Stickstoff bzw. getrocknete Druckluft
• Arbeitserlaubnis inkl. Feuerarbeiten
• schriftliche Arbeitsanweisung erstellen
Ferner muß, gemäß der EG303/2008, die Eignung des ausführenden Fachpersonals nachgewiesen werden.
Bezüglich der Beschaffung von Komponenten ist vorher zu prüfen, wie jedes einzelne Bauteil der
Anlage behandelt werden soll, ob es ersetzt werden muß oder ein Weiterbetrieb mit der Komponente möglich ist.
Dies betrifft insbesondere sämtliche Dichtwerkstoffe, die auf ihre Eignung bezüglich des neuen
Kältemittel-/Ölgemisch zu prüfen und zu bewerten sind. Bei nachfolgenden Komponenten sind
zusätzliche Punkte zu beachten:
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R22 Ersatz –Was ist zu beachten?
Verdichter
Auf Basis des neuen Betriebspunktes Eignungsüberprüfung nachfolgender Komponenten:
• E-Motor / Schaltanlage
• Ölkühlerleistung und Funktion
• Dichtungsmaterialen, gegebenenfalls Neueindichtung
• Gleitringdichtung
• Wechsel aller Filterelemente
• Manometer an neues Kältemittel anpassen
• Druckbereich und Einstellung DBK / SDBK / Überstromventile
• Vollständige Reinigung von Triebwerk und gegebenenfalls des Ölabscheider
Wärmetauscher
Auf Basis des neuen Betriebspunktes Eignungsüberprüfung nach folgender Punkte:
• Verdampferleistung / Kondensationsleistung
• Sauberkeit Wärmeaustauschflächen
• Eignung Verdampferreglung / Kondensatorreglung
• Funktion Ölrückführung
• Dimensionierung von Armaturen und Rohrleitungen
• Druckprobe vor Umrüstung
Rohrleitungen und Ölrückführungen
•
•
•
•
Entleeren und Spülen der Rohrleitungen (mit Stickstoff, getrockneter Luft)
Entleeren von „Säcken“ und Tiefpunkten
Festlegung der Ölrückführsystematik unter Zugrundelegung von Dichte und Lösbarkeit
der neuen Kältemittel / Öle
Druckprobe vor Umrüstung
Armaturen und Automatik
•
•
•
•
Überprüfung Funktion und Dimensionierung für neuen Betriebspunkt
Demontage und Austausch / Reinigung von Filtern und Dichtungen
besonderes Augenmerk auf Expansionsorgane wie:
- ND Schwimmer
- HD Schwimmer
- DX – Ventile, etc.
Schaltungen / SPS-Programmierung
sonstige Bauteile:
•
•
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Niveau-Sonden
Kältemittelpumpen
Schaugläser / Indikatoren
Filtertrockner
Austausch von zweifelhaften Bauteilen, insbesondere bei schlechtem Zustand und
zukünftig zweifelhafter Ersatzteilversorgung.
Gaswarnsystem
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Umrüstung vorhandener Gaswarnsysteme auf das neue Kältemittel
Prüfung des Gaswarnsystems
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Alle Angaben entsprechen nach bestem Wissen dem derzeitigen Stand der Erkenntnisse und unserer Entwicklung. Änderungen bleiben vorbehalten. Stand 07/2009
R22 Ersatz –Was ist zu beachten?
Kältemittel / Kältemaschinenöl
Bei der Beschaffung des Kältemittels ist vorher die Menge an Frischware festzulegen. Die Menge
an Frischware sollte mit einem Reservepuffer für etwaige Mehrmengen an Kältemittel versehen
sein, die zum Erreichen des stabilen Laufes im Betriebspunkt nötig seien könnten.
Das Kältemittel kann in unterschiedlichsten Gebindegrößen vom Fachhandel zur Verfügung gestellt werden (siehe Bild 9).
Abb. 13: Verschieden Liefergebinde für R507 in der Größe 14,3l, 59l, 79l und 900l
Nach der EG2037/2000 ist die in der Anlage befindliche Menge an R22 zurückzugewinnen und
der Entsorgung bzw. einer weiteren Behandlung zuzuführen (vgl. Teil 1, Abschnitt gesetzliche
Regelungen). Hierfür sind spezielle Recyclingbehälter, die für R22 zugelassen sind, vorzuhalten.
Für das Kältemaschinenöl gelten gleiche Grundsätze bei der Beschaffung wie für das Kältemittel.
Hierbei muß speziell eine etwaige Mehrmenge für zusätzliche Ölwechsel berücksichtigt werden.
Sicherheitsdatenblatt R507 und POE Kältemaschinenöl
Im Sicherheitsdatenblatt sind wichtige Hinweise zu einer etwaig ausgehenden Gefahr und dessen
Abwehr sowie zur Handhabung und Lagerung enthalten. Diese sollten unbedingt vorher zur
Kenntnis genommen werden und können vom Hersteller bzw. dem Lieferanten des Kältemittels
und Kältemaschinenöls bezogen werden (z.B. www.fuchseurope.com oder www.ghc.com oder
www.solvay-fluor.com)
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R22 Ersatz –Was ist zu beachten?
Technische Umsetzung vor Ort
Die technische Umsetzung der Umrüstung ist gemäß der beschriebenen Grundsätze der DIN
EN378-4:2008 durchzuführen.
Inbetriebnahme / Probebetrieb
Nach Umrüstung der Anlage ist die Kälteanlage vergleichbar einer Neuinbetriebnahme einzufahren und abzuprüfen.
Entsprechende Prüfroutinen sind für das Kältemaschinenöl umzusetzen und durch Laboruntersuchungen zu dokumentieren. Die Laboruntersuchungen sollten die Analyse des Restöl- und
Wassergehaltes im Kältemaschinenöl umfassen.
Leistungstest
Im Rahmen eines Abnahmeprotokolls ist, wenn möglich, ein Leistungstest zu fahren.
Bei den Leistungsangaben, speziell bei Garantiewerten, ist ein Toleranzband von +/- 10% anzustreben.
Empfehlenswert ist weiterhin die Festlegung der Leistungsfahrt hinsichtlich Umfang und Randbedingungen im Vertrag.
Abnahme / Übergabe / Dokumentation / Betriebsanleitung
Für die Abnahme und Übergabe der umgerüsteten Anlage sollte ein identisches Prozedere eingehalten werden, wie bei der Erstellung einer Neuanlage. Hilfreich ist hierbei die Nutzung von
Prüf – und Übergabeprotokollen, wie sie beispielsweise vom VDMA erhältlich sind. Die Prüfung
ist gemäß DIN EN378-2:2008 Abschnitt 6.3. durchzuführen
Durch die Umrüstung auf einen anderen Arbeitsstoff sind auch Änderungen und Anpassungen
bzgl. der Dokumentation bzw. Betriebsanleitung vorzunehmen.
Dies sollte nach DIN EN378-2:2008 Abschnitt 6.4. geschehen.
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R22 Ersatz –Was ist zu beachten?
Ablaufdiagramm: Umstellung von R22/Mineralöl (Alkylbenzol) auf R507/POE-Öl
R22 System in einem
guten Zustand?
Daten sammeln aus
Verdampfer,
Kondensator und
Kompressor Unterlagen
R22 entfernen, notieren
des Gewichtes.
Öl entfernen, notieren
des Volumens
Reinigen der
Anlagenkomponenten
Ausführen notwendiger
Reparaturen
Ersetzen der
nicht
kompatiblen
Komponenten
Nicht
kompatibel
Prüfung der
Materialverträglichkeit der
Systemkomponenten bzgl. R507
/ POE Öl (Vorabinfo
Hersteller)
Tauschen des
Filtertrockners,
Dichtheitsprüfung
ggfs. Filtertrockner
tauschen
Einfahren der Anlage
ggfs. R507 nachfüllen
bis stabiler
Betriebspkt. erreicht
ist
Dichtheitsprüfung
Anlagenbeschriftung
gem. EG842/2006
Ergänzen Betriebsanl.
Abnahme und
Übergabe
Achtung:
Um ein Überfüllen der Anlage zu
vermeiden, sollten zunächst nur 80% der
ursprünglichen R22 Masse eingefüllt
werden.
Es sollte möglichst viel R507 aus der
Flüssigphase auf die HD-Seite des
stillstehenden Systems gefüllt werden.
Nach Anfahren der Anlage ist bei Bedarf
weiteres R507 über die ND-Seite
aufzufüllen.
Füllen des Systems
mit POE Öl / R507
gem. notierter Menge
Betrieb der Anlage im
Betriebspkt. für 8 24h (je nach Größe)
Ersetzen des POEÖls bzw. R507
Prüfung auf
Restmenge R22 (zeotropes
Verhalten), Restmenge
urspr. R22 Öl:
< 4%
Abb. 14: Ablaufdiagramm einer Umrüstung von R22 auf R507
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Umschlag Reniso 2009.qxd:Layout 1
29.07.2009
9:52 Uhr
AUTO REN
Wolfgang Eckhoff
Leitung Verkauf
GHC Gerling, Holz & Co. Handels GmbH, Hamburg
Dipl.-Ing. Christian Puhl
Produktmanagement Kältemaschinen- und Industrieöle
Fuchs Europe Schmierstoffe GmbH, Mannheim
Dipl.-Ing. Felix Flohr
Leiter Anwendungstechnik Kältemittel
Solvay Fluor GmbH, Hannover
Dipl.-Ing. Kai Selmer
Vorstand
Arctos Industriekälte AG, Sörup
Stand 07/2009
Seite 3
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Seele and Geist
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