17. März 2011

Ökologie und Klimaanlagen

Klimaanlagen nutzen den Energieaustausch während des Wechsels der Aggregatzustände des Kältemittels. Dabei ist es wichtig, dass die Aggregatzustände des energietransportierenden Mittels bei vernünftigen Temperaturen und technisch beherrschbaren Drücken ändern. Nach diesen und weiteren Gesichtspunkten werden die Kältemittel ausgesucht und entwickelt. Aus diesen Gründen ist man auf Kältemittel gestossen, welche zwar den physikalischen Anforderungen entsprechen aber ökologisch bedenkliche Nebenwirkungen aufweisen. Das spielte eine untergeordnete Rolle, so lange die Menge der eingesetzten Kältemittel klein war, letztendlich führte auch hier der grosse Erfolg zum grossen Problem.

Ökologie und Klimaanlagen

Die eigentliche Klimaanlage ist im Motorraum versteckt, ihre Wirkungen sind mit den roten und blauen Pfeilen im Innenraum des Fahrzeuges anzutreffen.

VON ANDREAS LERCH

Wird Wasser erwärmt, wird ihm Energie in Form von Wärme zugeführt, daher steigt die Temperatur bis gegen 100 °C. Bei dieser Temperatur oder diesem Energieinhalt des Wassers beginnt es zu kochen, die Temperatur steigt nicht mehr an, obwohl die zugeführte Wärmemenge nicht verändert wird. Als Kochen wird allgemein das Verändern des Aggregatszustandes von flüssig nach gasförmig (= verdampfen) verstanden. Erst im gasförmigen Zustand könnten die Moleküle dann weitere Energie aufnehmen und zur Temperatursteigerung umsetzen.

Physik in Klimaanlagen

Die Klimaanlage besteht aus Kompressor, Kondensator, Expansionsventil und Verdampfer. In jedem dieser Teile entstehen physikalische Veränderungen des Kältemittels. Der Kompressor ist darauf angewiesen, dass ihm ausschliesslich gasförmiges Kältemittel zugeführt wird, nur dieses kann er komprimieren und durch Druck und Wärme Energie zuführen.
Das komprimierte Gas strömt anschliessend zum Kondensator. Durch den Fahrtwind oder ein Gebläse wird das Kältemittel abgekühlt und dadurch flüssig (es kondensiert).
Das Expansionsventil versprüht die unter Druck stehende Flüssigkeit in den Verdampfer. Durch den plötzlichen Druckverlust kühlen sich die feinen Kältemitteltröpfchen sehr stark ab. Im Verdampfer nehmen sie dann Wärmeenergie der Luft auf, welche um die Verdampferlamellen zum Innenraum des Fahrzeuges strömt. Damit erhalten die Passagiere im Fahrzeug kühle und trockene Luft. Das drucklose Kältemittel wird durch die Wärmeenergie wieder gasförmig und strömt zurück zum Kompressor.
Der Kompressor wird entweder mit variablem Hub gebaut oder kann über eine Magnetkupplung ein- und ausgeschaltet werden. Zwischen Kondensator und Expansionsventil befindet sich ein Sammler und Trockner, der einerseits allfälliges Kondenswasser bindet und andererseits flüssiges Kältemittel zwischenspeichert, damit die Einschaltintervalle des Kompressors nicht allzu kurz werden.
Diagramme
Zwei Diagramme kennzeichnen diesen Vorgang: Die Dampfdruckkurve des Kältemittels zeigt bei jedem Druck an, bei welcher Temperatur das Kältemittel den Aggregatszustand ändert.
Im logarithmischen Druck-Enthalpie-Diagramm (Bild 5) ist neben dem Aggregatszustand, der Temperatur und dem Druck auch die Enthalpie eingetragen, welche den aktuellen Energieinhalt pro Kilogramm Kältemittel vermittelt. In diesem Diagramm kann der Kreisprozess detaillierter nachvollzogen werden. Der Aggregatszustandswechsel durchläuft jetzt die ganze rote Kurve, welche das Nassdampfgebiet abgrenzt. Innerhalb dieser Kurve befindet sich auf der linken Seite mehr Flüssigkeit als Dampf und auf der rechten Seite mehr Gas als Flüssigkeit. In dieser Kurve verläuft die Temperatur waagrecht. Das bedeutet, dass der Flüssigkeit im Punkt D (0°C) wohl Energie zugeführt wird, dadurch jedoch die Temperatur nicht steigt, sondern das Kältemittel gasförmig wird (Verdampfungsstufe). Erst nach dem Durchstossen der roten Kurve bis zum Erreichen des Punktes A steigt die Temperatur noch etwas an. Zwischen A und B steigen Druck, Temperatur und Enthalpie (Verdichtungsstufe). Zwischen B und C nimmt die Energie ab, ebenso die Temperatur (zwischen Punkt B und der rechten Kurve bzw. der linken Kurve und Punkt C). In der Expansionsstufe zwischen Punkt C und D wird das Kältemittel bereits flüssig (tröpfchen-, oder dampfförmig), obwohl die Enthalpie konstant bleibt und nur Druck und Temperatur sinken.

Kältemittel

Kältemittel müssen in Bild 5 eine möglichst breite rote Kurve aufweisen, damit beim Kondensieren und beim Verdampfen einer kleinen Menge Kältemittel eine grosse Energie umgesetzt werden kann. Damit wird die Grösse der gesamten Klimaanlage beeinflusst. Auch die Lage der Dampfdruckkurve ist entscheidend, damit weder zu grosse Drücke oder im Niederdruckbereich gar Unterdrücke auftreten und damit auch die Temperaturen im vernünftigen Bereich liegen. Viskosität, Wärmeleitzahl, Oberflächenspannung, Öl- und Wasserlöslichkeit sind weitere Themen bei den physikalischen Eigenschaften. Chemisch geht es um die molekulare Stabilität, die Moleküle dürfen bei den auftretenden Temperaturen und Drücken weder zerfallen noch zusammenwachsen. Dazu müssen sie sich gegenüber den umliegenden Materialien möglichst inert verhalten, dürfen also keine Verbindungen eingehen. Zuletzt sollten sie nicht brennbar oder gar explosiv sein. Physiologisch dürfen sie nicht giftig sein oder bei geringen Konzentrationen in der Luft die Atemorgane reizen. Im Bereich von offenen Flammen dürfen keine Atemgifte entstehen. Der Geruch ist nicht sehr relevant, ein stechender Geruch wie bei Ammoniak hilft bei Leckagen und warnt anwesende Personen. Wirtschaftlich ist es wichtig, dass sich Kältemittel kostengünstig herstellen lassen und dass ihre Verfügbarkeit gesichert ist.

Kältemittelarten

Seit Ende des 19. Jahrhunderts ist Ammoniak (R-717) als Kältemittel bekannt, auch Kohlendioxid CO2 (R-744) oder Schwefeldioxid (R-764) sind Kältemittel, welche schon früh eingesetzt worden sind. Als synthetische Kältemittel wurden dann in den 30er-Jahren des 20. Jahrhunderts die fluorierten Kohlenwasserstoffe (FCKW) entwickelt. Im Prinzip wurden einfache Kohlenwasserstoffmoleküle so verwandelt, dass diesen der Wasserstoff entzogen und mit Fluor- bzw. Chloratomen ersetzt wurde. Bei den FCKW (Fluorchlorkohlenwasserstoffen) werden sämtliche Wasserstoffatome ersetzt. Hydrogenfluorchlorkohlenwasserstoffe (H-FCKW) enthalten im molekularen Aufbau noch mindestens ein Wasserstoffatom, und alle anderen sind durch Chlor- oder Fluoratome ersetzt worden. Man spricht auch von teilhalogenierten FCKW. Halogene sind die Elemente im Periodensystem der Hauptgruppe VII; diese Gase werden auch in der Fahrzeugbeleuchtung bei den Halogenleuchtmitteln eingesetzt. Hydrogenfluorkohlenwasserstoffe (H-FKW) enthalten ebenfalls noch mindestens ein Wasserstoffatom, als aufgefülltes Halogen aber nur noch das Element Fluor. Kohlenwasserstoffe (KW) sind natürliche Kältemittel, leider sind sie brennbar und z.T. sogar explosiv. Auch Ammoniak und Kohlendioxid gelten als natürliche Kältemittel. Dabei ist Ammoniak ein starkes Fischgift, CO2 würde viele Anforderungen erfüllen, es braucht im Betrieb jedoch hohe Drücke (>100 bar), was technisch heute auch für Anwendungen im Automobilbau realisierbar wäre.

Kältemittelbezeichnungen

Die Kältemittel werden in Gruppen zusammengefasst und ihre Bezeichnungen beginnen mit einem R, welcher für das englische Wort für Kältemittel (Refrigerant) steht. Dahinter stehen zwei oder drei Zahlen und evt. kleine Buchstaben. Die erste Zahl bezieht sich auf die Kohlenstoffatome im molekularen Aufbau des Kältemittels und errechnet sich aus der Anzahl C-Atome minus 1. Die zweistellig bezeichneten Kältemittel sind demzufolge Methanderivate (z.B. das alte Kältemittel in Autos R12). Ein Methanmolekül besteht aus nur einem Kohlenstoffatom: 1 C-Atom minus 1 gleich Null, deshalb sind Methanderivate nur zweistellig. Befinden sich zwei Kohlenstoffatome im Molekül (Ethanderivate), gibt es eine Bezeichnung im 100er-Bereich. Ist sie im 200er-Bereich, so enthalten die Moleküle 3 Kohlenstoffatome. Die zweite Zahl bezieht sich auf die noch enthaltenen Wasserstoffatome; diese werden aber jetzt plus 1 gerechnet. Sind bei reinen FCKW alle Wasserstoffatome ersetzt, ergibt sich die Zahl 0 + 1 = 1 (z.B. bei R12 oder bei R113 usw.)
Die dritte Zahl weist auf die Anzahl der Fluoratome hin. R113 enthält also 3 Fluoratome. Da es ein Ethanderivat ist und 2 Kohlenstoffatome enthält, müssen insgesamt 6 Atome mit ihm verbunden sein; Wasserstoff ist nicht vorhanden (2. Zahl minus 1) und Fluor gibt es 3 Atome (3. Zahl in der Bezeichnung). Es fehlen im molekularen Aufbau also noch 3 Atome, welche angehängt werden müssen: Das sind jetzt die Halogenatome Chlor, welche das Molekül auffüllen. R113 enthält also 2 Atome Kohlenstoff, kein Atom Wasserstoff, 3 Atome Fluor und 3 Atome Chlor.
Die folgenden Buchstaben weisen darauf hin, ob die Moleküle symmetrisch oder unsymmetrisch aufgebaut sind: Kein Buchstaben bedeutet vollständige Symmetrie, je höher der Buchstabe im Alphabet liegt, desto kleiner wird die Symmetrie des molekularen Aufbaus.

Gemische

Dreistellige Kältemittelbezeichnungen, welche mit einer 4 beginnen, bedeuten Kältemittelgemische, welche ungleiche Siedepunkte aufweisen (zeotrope bzw. nicht azeotrope Gemische). Die Siedepunktdifferenz wird in Kelvin angegeben, die Angabe wird mit dem Fachausdruck «Gleit» bezeichnet. Das Kältemittel R-413a war als Ersatzkältemittel für R-12 bekannt. Es ist ein zeotropes Gemisch und besteht aus R-134a, R-218 und R-600a. Beginnt die Bezeichnung mit einer 5, so handelt es sich um azeotrope Gemische, also um Kältemittelgemische mit gleichem Siedepunkt.

Weitere Kältemittel

Reine Kohlenwasserstoffe eignen sich auch als Kältemittel; da sie brandgefährlich sind, müssen entsprechende Vorsichtsmassnahmen getroffen werden. R-600a beispielsweise ist Isobutan. In die 600er-Reihe werden Kohlenwasserstoffe aufgenommen, deren Moleküle mehr als 3 Kohlenwasserstoffatome enthalten. Die kleineren Moleküle können nach der oben beschriebenen Methode angegeben werden: R-290 ist daher reines Propan. Beginnt die Bezeichnung mit der Zahl 7, so handelt es sich um anorganische Kältemittel. Über die Zahlen können jedoch hier keine weiteren Aufschlüsse über den chemischen Aufbau gefunden werden. R-717 ist Ammoniak, R-718 ist Wasser und R-744 steht für Kohlendioxid (CO2). CO2 wird in die Gruppe der anorganischen Kältemittel eingefügt, da es sich bei CO2 um das Verbrennungsprodukt von Kohlenstoff handelt.
In der April-Ausgabe von AUTO&Technik werden die ökologischen Zusammenhänge der Kältemittel, die neuen Kältemittel und der Umgang mit diesen Chemikalien besprochen.

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