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Klimatechniker beim Einbau einer Klimaanlage in der Zimmerdecke

Kältemittel in Klimaanlagen und Wärmepumpen

Letzte Aktualisierung am 27. Juli 2022 von M. Lehmann

Kältemittel gibt es in unterschiedlichen Ausführungen. Auch wenn sich diese in ihren spezifischen Eigenschaften unterscheiden, handelt es sich bei allen Kältemitteln um Fluide, die als Betriebsstoff von Kälteanlagen eingesetzt werden. Dabei dienen diese chemischen Verbindungen grundsätzlich der Übertragung von Wärme, die von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau transportiert wird und umgekehrt. Um diese Wärmeübertragung zu ermöglichen, nimmt das Kältemittel bei niedrigen Temperaturen und niedrigem Druck durch Verdampfen Wärme auf. Diese gespeicherte Wärme wird dann bei höheren Temperaturen und höherem Druck durch Verflüssigung wieder abgegeben. Demnach findet die Wärmeübertragung beim Kältemittel durch eine Veränderung des Aggregatzustandes der Fluide statt.

Wo werden Kältemittel eingesetzt?

Kältemittel finden im Rahmen von offenen oder geschlossenen Kälteanlagen als Arbeitsmedium ihre Anwendung. Demnach kommen diese besonderen Mittel vor allem in stationären Klimaanlagen, in Automobilklimaanlagen oder Großraumklimatisierungen zum Einsatz. Darüber hinaus werden Kältemittel auch in Wärmepumpen, stationären Kälteanlagen, Gefrierschränken, Kühlschränken und Kühlhäuser eingesetzt.

Um diese Geräte mithilfe der Kältemittel bestmöglich betreiben zu können, ist die Auswahl einer geeigneten Kältemittelart von besonderer Bedeutung. Denn gerade die richtige Wahl des Kältemittels hat einen ausschlaggebenden Einfluss auf den Konstruktionsaufwand, die Wirkung sowie den letztendlichen Energieverbrauch der Kälteanlage.

Welche Eigenschaften sollten gute Kältemittel haben?

Da Kältemittel in verschiedenen Bereichen angewandt und hierbei stets mit unterschiedlichen Anforderungen konfrontiert werden, gibt es das perfekte Kältemittel für einen Universaleinsatz nicht. Demnach kann ein perfektes Kältemittel immer nur in Abhängigkeit der speziellen Anlage bestimmt werden.

Abgesehen von diesen spezifischen Anforderungen, welche die einzelnen Einsatzbereiche an die Kältemittel stellen, gibt es übergreifende und universale Eigenschaften, die von allen Bereichen als wichtig erachtet werden. Diesbezüglich sollten Kältemittel weder giftig, noch brennbar oder korrosiv sein. Außerdem weist ein gutes Kältemittel idealerweise eine gute Mischbarkeit mit Öl auf. Zudem sollten die Mittel über ein günstiges Druckverhältnis und Dampfvolumen, eine niedrige Verdichtungsendtemperatur und Viskosität sowie über eine hohe Wärmeleitfähigkeit verfügen. Auch die chemische und thermische Stabilität sollte hierbei gewährleistet sein.

Neben diesen umfassenden physikalischen und chemischen Eigenschaften sollten gute Kältemittel des Weiteren eine ökonomisch sowie ökologisch sinnvolle Lösung darstellen. Dies ist dann der Fall, wenn die Mittel nicht nur über ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis verfügen, sondern im Rahmen ihrer Anwendung auch keinen, beziehungsweise nur einen geringen Umwelteinfluss zur Folge haben.

Demnach ergeben sich vielseitige Eigenschaften, die ein gutes Kältemittel ausmachen. Hier nochmals die Wichtigsten für Sie im Überblick:

  • nicht giftig, brennbar oder korrosiv
  • gute Mischbarkeit mit Öl
  • günstiges Druckverhältnis und Dampfvolumen
  • niedrige Verdichtungsendtemperatur und Viskosität
  • hohe Wärmeleitfähigkeit
  • gute chemische und thermische Stabilität
  • gutes Preis-Leistungs-Verhältnis
  • gute Umweltweltverträglichkeit

Wie funktioniert eine Klimaanlage und welche Rolle spielt dabei das Kältemittel?

Bei einer Klimaanlage nimmt der Verdampfer im Inneren des Gerätes über das Kältemittel warme Raumluft auf. Um diese Wärmeaufnahme jedoch überhaupt durchführen zu können, wird der Druck des Kältemittels stark verringert. Diese Druckverringerung hat zur Folge, dass das Kältemittel in einen gasförmigen Aggregatzustand wechselt und sich stark abkühlt. Dabei sinkt dessen Temperatur weit unter die vorhandene Umgebungstemperatur. Dank dieser niedrigen Temperatur ist das Kältemittel jetzt in der Lage, durch Verdampfen Wärme aus der Umgebung aufzunehmen. Hat das Mittel infolge der Wärmeaufnahme die Umgebungstemperatur wieder erreicht, wird es mithilfe eines Kompressors verdichtet. Infolge dieser Verdichtung findet eine Erhitzung des Gases statt, wodurch es sich verflüssigt. In seinem flüssigen Aggregatzustand fließt das Mittel weiter zum Außengerät. An dieser Stelle wird die Wärme nun vom Kältemittel an die Umgebungstemperatur abgegeben. Infolge dieser Wärmeabgabe nimmt die Temperatur des Kältemittels wieder ab. Mithilfe des Verdampfers wird dann erneut der Druck des Mittels reduziert, sodass es sich nochmals abkühlt und in seinen gasförmigen Aggregatzustand übergeht. Somit handelt es sich bei dem beschriebenen Prozess um einen Kreislauf, der an dieser Stelle nun wieder von vorne anfängt.

Im Rahmen dieses umfassenden Prozesses kommt dem Kältemittel in einer Klimaanlage eine grundlegende Funktion in Anbetracht des Wärmetransportes und des Wärmeübergangs zu.

Welche Kältemittel werden häufig eingesetzt und welche Eigenschaften besitzen diese?

Auf dem Markt existieren unterschiedliche Kältemittel, bei denen die chemischen Verbindungen entweder in natürlicher oder synthetischer Form vorkommen. Demnach wird grundsätzlich zwischen natürlichen und synthetischen Kältemitteln unterschieden.

Zu den synthetischen Kältemitteln zählen chemische Verbindungen wie beispielsweise Fluorchlorkohlenwasserstoff (FCKW). Auch wenn diese Mittel besonders effiziente und stabile chemische Eigenschaften besitzen, wird deren Verbrauch heutzutage immer weiter reduziert. Dies liegt unter anderem an deren negativen Einfluss auf den Ozongehalt der Atmosphäre und deren beschleunigende Wirkung auf den Treibhauseffekt. Aufgrund dieser umweltschädigenden Eigenschaften werden heutzutage fast ausschließlich natürliche Kältemittel verwendet, die eine deutlich bessere Umweltverträglichkeit aufweisen.

Zu den natürlichen Kältemitteln zählen unter anderem Ammoniak, Wasser, Kohlenstoffdioxid, Propan und Propylen:

  • Ammoniak: Ammoniak besitzt sehr umweltfreundliche Eigenschaften, ist äußerst energieeffizient und besticht durch seinen preisgünstigen Brennwert sowie seine niedrigen Gesamtkosten. Trotz dieser vielseitigen, positiven Eigenschaften besitzt Ammoniak den Nachteil, dass er sowohl giftig wie auch brennbar ist. Dennoch eignet sich dieser Stoff hervorragend als Kühlmittel für Kühlhäuser, Großraumklimatisierungen, Industriekälte sowie Sport- und Freizeitanlagen.
  • Kohlendioxid: Im Gegensatz zum Ammoniak ist Kohlendioxid nicht brennbar und auch nicht giftig. Zudem besticht dieses Mittel durch sein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis und seine unbegrenzte Verfügbarkeit. Eine ganz besondere Eigenschaft kommt der hohen volumenmetrischen Kälteleistung des Kohlendioxids zu, wodurch sich das Mittel einem großen Einsatz erfreut. Anwendung als Kühlmittel findet Kohlendioxid vor allem bei Kühlhäusern, bei Autoklimaanlagen, im Bereich der Industriekälte, im Lebensmitteleinzelhandel sowie bei Wärmepumpen.
  • Wasser: Neben dem Kohlendioxid ist auch Wasser weder brennbar noch giftig. Hinzu kommen seine gute Umweltverträglichkeit, seine leichte Verfügbarkeit und sein CO2-neutrales Verhalten. Auf Grundlage dieser Eigenschaften findet Wasser vor allem im Bereich der Industriekühlung seine Anwendung.
  • Propan (R-290) und Propylen: In Anbetracht von Propan und Propylen kann festgehalten werden, dass diese zwar nicht giftig sind, dennoch über brennbare Eigenschaften verfügen. Auch deren Umweltverträglichkeit ist im Vergleich zu den anderen natürlichen Kältemitteln etwas schlechter.

Wie können Sie erkennen, um welches Kältemittel es sich handelt?

Wie viele chemische Verbindungen werden auch Kältemittel mit einer spezifischen Nomenklatur bezeichnet. Diese verrät Ihnen nicht nur, um welches spezifische Kältemittel es sich handelt, sondern gibt darüber hinaus auch die Atomzusammensetzung des jeweiligen Mittels an. Grundsätzlich werden im Zuge dessen alle Kältemittel mit dem Großbuchstaben R abgekürzt. Dieser Buchstabe leitet sich vom englischen Wort „refrigerant“ ab und bedeutet übersetzt Kältemittel. Hinter dem R folgt dann eine Reihe von Zahlen. Beginnt diese Reihe mit einer 4 oder 5, handelt es sich um Gemische. Organische Verbindungen fangen hingegen mit einer 6 an, wohingegen Sie natürliche Kältemittel anhand der 7 erkennen.

In Anbetracht von natürlichen Kältemitteln folgt auf die Gruppenbezeichnung der 7 dann die Molmasse der jeweiligen chemischen Verbindung. Demnach handelt es sich bei der Bezeichnung R717 um das natürliche Kältemittel Ammoniak (Molmasse=17) und bei R744 um Kohlendioxid (Molmasse=44).

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