Was ist ein Co₂-Kältemittel? Technologische Betrachtung von CO₂-Kältemittel & Kälteanlagen

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Hinführung auf das Thema
1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise
1.3 CO2-Kältemittel: Was ist das genau?

2 Grundlagen in der Kältetechnik
2.1 Funktion und Aufbau einer Kälteanlage
2.2 Verwendung des CO2-Kältemittels
2.3 Reaktion mit anderen Stoffen
2.4 Aggregatzustände
2.5 Vorteile und Nachteile des CO2-Kältemittels
2.6 Was bedeutet dies für die Umwelt
2.7 Auswirkungen von Kohlendioxid auf die menschliche Gesundheit

3 Zusammenfassung

4 Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Darstellung des fortlaufenden Prozesskreislaufes

Abbildung 2: Kreislaufsystem der Kälteanlage mit sämtlicher Rohrleitungen. (Quelle: Grundkurs der Kältetechnik, Heinz Veith, VDE Verlag GmbH Berlin, 2016)

Abbildung 3: CO2-Zustände in Log-p-h-Diagramm. (westfalen.com)

Abbildung 4: Mögliche Einflüsse von Kohlendioxid auf die Gesundheit nach der Höhe des Gehaltes

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Gegenüberstellung zwischen unterschiedlichen Kältemedien

1 Einleitung

1.1 Hinführung auf das Thema

Ein behagliches Raumklima in Gebäuden zu schaffen, ist für unser Wohlgefühl von großer Bedeutung. Das gilt nicht nur für Winterzeiten, wo man heizen soll, aber auch für Sommerzeiten, wo dann die eindringende Wärmezufuhr bzw. die zunehmenden Temperaturen in unseren Räumen zu regulieren sind. Aus diesem Grund ist dann das Kühlen von Gebäuden ebenfalls wichtig wie das Heizen in Bezug auf die Modernisierung der Qualität innerhalb einer Gebäudehülle. Dabei bedeutet das Kühlen im Gegenteil zu Heizen das Abführen von Energiemengen.

„Die Aufgabe einer Kälteanlage ist es, Waren und anderes Gut abzukühlen und bei einer Temperatur aufzubewahren, die normalerweise tiefer ist als die Umgebungstemperatur. Kühlung kann definiert werden als ein Prozess, bei dem Wärme entzogen wird. Die ältesten und bekanntesten Kältemittel sind Eis, Wasser und Luft. Anfänglich war das Konservieren vonNahrungsmittelnderHauptzweck. Die Chinesen entdeckten als erste, dass Eis die Haltbarkeit von Getränken verlängern und ihren Geschmack verbessern kann, und die Eskimos konservierten seit Jahrhunderten ihre Lebensmittel durch Gefrieren.“ (amberger-Kuehltechnik.de)

1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise

Es wird im Rahmen dieser Hausarbeit darum gehen, den Begriff „ CO2-Kältemittel“ zu Erklären, zu Verstehen und zu Wissen, was mit einer Kälteanlage gemeint ist, welche Funktion sie hat und wie sehen der Aufbau sowie der Ablaufprozess aus. Mit Hilfe von Beispielen, also Abbildungen und Tabellen wird dann das Ganze vereinfacht und dazu dienen, einen erweiterten Überblick in der Kältetechnologie zu bekommen.

Als nächstes erfolgt eine kleine Vorstellung von Kohlendioxid als Kältemittel, dann wird die Funktionsweise der Kältemaschine durch eine Aufteilung von den Ablauf in Schritten verdeutlicht, um somit eine thermodynamische Betrachtung in den Prozessen zu gewinnen. Darüber hinaus wird nicht nur die Einsetzung von CO2 für die Kältebereitstellung veranschaulicht, vielmehr auch sein chemisches Verhalten mit anderen Stoffen. Abschließend werden die Vor- und Nachteile sowie der Einfluss sowohl auf die Umwelt als auch auf den Menschen klargestellt.

1.3 CO2-Kältemittel: Was ist das genau?

CO2-Kältemittel ist ein natürliches Kältemittel, das in Form eines Fluids in einer Kältemaschine oder in einem Kompressor eingesetzt wird, um Wärme zu übertragen. Es ist geruchs- und geschmackslos, nicht brennbar und umweltfreundlich. Die Wärmeaufnahme erfolgt über das untere Temperaturniveau bzw. das untere Druckniveau, während sich die Wärmeabgabe über das obere Niveau der Temperatur sowie des Druckes ereignet, wobei die Zustandsänderungen des (Kälte-)Prozesses aufeinanderfolgen. Erwähnenswert ist, dass zu den natürlichen Kältemitteln auch andere Arbeitsmedien zählen wie Ammoniak, Wasser sowie Kohlenwasserstoffe als auch Luft. Der Kohlendioxid ist als Kälteträger als R744 von den Kältetechnikern bezeichnet, R stammt aus dem englischen Wort „Refrigerant“ also auf Deutsch Kältemittel.

„Kälteanlagen oder Kühleinrichtungen können auch in Kühlgeräten, z.B. Kühlschrank, Gefriertruhe, Klimagerät, Speiseeisbereiter, Verkaufskühlmöbel, Wärmepumpen eingebaut sein. Sie können sowohl ortsfest als auch ortsbeweglich betrieben werden.“ (umwelt-online.de)

2 Grundlagen bezogen auf die Kältetechnik

In diesem Kapitel soll es vor allem darum gehen, wie eine Kälteanlage überhaupt funktioniert und wie das Kältemittel, umgangssprachlich auch „Kühlmittel“ genannt, zustande kommt. Vermittelt wird auch, in welchen Anwendungsbereichen das CO2-Kältemittel zum Einsatz kommt. Ein Beispiel aus der Praxis soll dabei für ein besseres Verständnis sorgen. Auch die Zustandsänderungen werden kurz erläutert und ihre Gefahren benannt. Es werden positive als auch negative Aspekte beschrieben und dazu kurz Stellung bezogen, was dies für die Umwelt bedeutet.

2.1 Funktion und Aufbau einer Kälteanlage

Die Kälteanlage besteht aus vier Hauptbauteilen, einem Verdichter, einem Verflüssiger, dem Drosselorgan und einem Verdampfer.

Um den Kältekreislauf einfacher und besser nachzuvollziehen, sind demnächst vier Arbeitsschritte nötig. In jedem Schritt findet eine thermodynamische Zustandsänderung bezogen auf das Kältemittel mithilfe einem der vier Hauptorgane statt.

Schritt 1:

Das dampfförmige Mittel in unserem Fall CO2 (R 744) wird aus der Leitung angesaugt und komprimiert. Dies passiert im Verdichter, beispielsweise das Arbeitsmedium wird bei Bedingungen mit einem Druck von 3 bar und einer Temperatur von 3 Grad angesaugt, welches demnächst auf etwa 10 bar verdichtet wird. Diese thermodynamische Zustandsänderung sollte eigentlich isentrop sein. Es entsteht aber während der Verdichtung auch eine zusätzliche Wärme, die dann das Kältemittel aufnimmt. Bei diesem Arbeitsschritt wird das Mittel bis auf ca. 65-70 Grad erwärmt.

Schritt 2:

Im sogenannten Verflüssigungsprozess strömt das Mittel R 744 als stark überhitzter Dampf in den nachgeschalteten Wärmeüberträger „Verflüssiger“ ein, wo dann das Kältemedium die sogenannte Kondensationswärme an die Umgebung abgibt. Bedenken wir hierbei, dass der Druck nahezu unveränderlich bleibt. Demzufolge wird diejenige Temperatur unterschritten, bei der sich das Fluid verflüssigt (Kondensationstemperatur). Zum Beispiel können wir uns eine Wasserflasche vorstellen, die bei erhöhter relativen Feuchtigkeit und Temperatur aus dem Kühlschrank genommen wird. Hierbei kann man besonders gut betrachten, dass sie nach einer gewissen Zeit anfängt zu „schwitzen“, es bilden sich also kleine Wassertropfen auf der Wasserfalsche. Während der Enthalpieabgabe kühlt sich das Medium solange ab, bis das sämtliche dampfförmige Kältemittel konditioniert.

Schritt 3:

Der Expansionsprozess erfolgt mit der Strömung des verflüssigten Kältemediums durch das Drosselventil. Währenddessen senkt der Druck stark von dem höheren Druckniveau auf den niedrigen Druckniveau der Verdampfung. In diesem Beispiel von 13 bar auf 3 bar. Da der Druck herabgesetzt wird, kann sich das flüssige R 744 entspannen.

„Als Beispiel stellen wir uns eine Deodose vor, auch in ihr ist das Medium flüssig, sobald wir die Zerstäuberdüse öffnen, tritt das Medium dampfförmig und teilweise flüssig aus. Die restliche Flüssigkeit benötigt Energie, um noch weiter zu verdampfen und entzieht der Umgebung Wärme.“ (knipping-Klima.de)

Schritt 4:

Hier wird wie im dritten Schritt erklärt, das flüssige CO2-Mittel in und durch den sogenannten Kälteerzeuger (der zweite Wärmeübertrager) in Strömen fließen. Bei niedriger Temperatur entzieht das Gemisch dem zu kühlenden Raum so viel Wärmemenge, die zum vollständigen Verdampfen benötigt wird (Verdampfungswärme). Ein anderes Medium bzw. ein Raum kann dadurch gekühlt werden. Nach diesem Prozess saugt der Kompressor das verdampfte Kältemedium erneut an und es folgt Schritt 1. (Kreislauf)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Darstellung des fortlaufenden Prozesskreislaufes.

(Quelle: Konzeptstudie zur Energie- und Ressourceneffizienz im Betrieb von Rechenzentren, Technische Universität Berlin)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Kreislaufsystem der Kälteanlage mit sämtlicher Rohrleitungen. (Quelle: Grundkurs der Kältetechnik, Heinz Veith, VDE Verlag GmbH Berlin, 2016)

2.2 Verwendung des CO2-Kältemittels

Die Anwendung von Kohlenstoffdioxid als Kältemittel ist sehr verbreitet und wird in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt. Bemerkenswert ist, dass auf das CO2-Kältemedium bzw. (R 744) in Branchen wie Auto-Klimatisierungssysteme, Gewerbekälte aber auch in der Wärmepumpen-Technologie sowie Industriekälte nicht verzichtet, weil es sich verglichen zu fluorierten Kältemitteln als umweltverträglich auszeichnet und mit günstigen Kosten verbunden ist. Außerdem ist es nicht giftig, nicht entzündbar und farblos.

„R744 besitzt ein Treibhauspotenzial (Global Warming Potential, GWP) von 1 (GWP = 1).

R744 besitzt einen ODP - Wert (Ozone Depletion Potential) von 0.

R744 ist nach ISO/ASHRAE in die Sicherheitsklasse A1 eingestuft.“ (Cold.word)

Somit hat R 744 einen geringen Beitrag an der Erderwärmung. Denn je höher der GWP-Wert, umso höher ist das Treibhauspotential und das wiederum sorgt für eine Erderwärmung.

Die Sicherheitsklassifizierung erfolgt folgendermaßen: Die Einstufung aufgrund toxischer Eigenschaften ist in zwei Klassen unterteilt, und zwar so, dass der Typ A auf die Kältemittel hinweist, die geringe Toxizität aufweist, während der Typ B auf diejenige Kältemedien hindeutet , die über eine hohe Toxizität verfügen. Die Entzündbarkeit eines Kältemittels wird nach diesem Merkmal in vier Gruppen aufgegliedert. Die Kategorie A1 bedeutet hierbei, dass das Kältemittel feuerfest ist, die Kategorie A3 bedeutet hingegen, dass es schwer brennbar ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2: Nach ISO 817 Sicherheitsklassifizierung je nach Kältemittel (cold.word)

Im Automobilindustrie-Bereich gehört die Klimaanlage mit steigender Tendenz (besser gesagt wie selbstverständlich) zur Serienausstattung eines Wagens. In Bezug auf den Klimaschutz, was mittlerweile weltweit von großer Bedeutung denn je ist, ist beispielsweise die Schädigung von CO2 etwa 1.400 mal geringer als die des Kältemittels R134a (Tetrafluorethan). Das bedeutet, dass der Treibhauseffekt viel weniger ist, als mit den aktuellen R134a. Die CO2-Klimaanlage kann den Innenraum in kurzer Zeit abkühlen und arbeitet dabei mit weniger Energie. In heißen Sommertagen ist der Energieverbrauch der Klimaanlage geringer. Der Klimakompressor in den PKW-Klimaanlagen weist zudem eine hohe Dichtigkeit auf. Daimler (Mercedes-Benz) hat im Jahr 2016 einen großen Schritt nach vorne gemacht und fing damit an, die Mercedes-Benz S-Klasse mit Klimaanlagen mit klimaschonendem Kältemittel CO2 auszustatten. Weitere KFZ-Fahrzeuge werden sicherlich in nahestehender Zukunft folgen.

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