Kältemittel sicher einsetzen
Moderne technische Kältemittel werden seit fast 100 Jahren eingesetzt, doch seit einigen Jahren ist der Markt durch ein deutliches Wachstum gekennzeichnet. Steigende Preise für fossile Brennstoffe und die Erhöhung der Durchschnittstemperaturen treiben die Nachfrage nach effizienteren Wärmepumpen und Klimaanlagen an und alle diese Ausrüstungen funktionieren nur mit Kühlmitteln.
Um die Sicherheit der Kältemittelsysteme insbesondere in geschlossenen Räumen zu gewährleisten, müssen Leckagen detektiert und bei Bedarf auch die Konzentration einzelner Komponenten bestimmt werden. Die NDIR-Gasanalyse mithilfe pyroelektrischer Detektoren von InfraTec liefert für ein breites Spektrum an Kältemitteln zuverlässige Ergebnisse. Das gilt nicht nur für bewährte, aber teilweise sehr klimaschädliche Kältemittel, sondern auch für neue, nachhaltigere Varianten, die erstere ersetzen.
Verwendung von Kältemitteln
Kältemittel kommen in vielen Bereichen des täglichen Lebens zum Einsatz, so zum
Kühlen (Kühlschränke, Gefriertruhen, Kühl- und Tiefkühllager, Lebensmittelverarbeitung, Kühlcontainer etc.),
Klimatisieren (Klimaanlagen in Räumen, Gebäuden und Fahrzeugen),
Heizen (Heizungswärmepumpen in Haushalten, Warmwasserbereitung, Industriewärmepumpen zur Abwärmenutzung),
als Prozesskälte in industriellen und technischen Prozessen (z. B. in Chemie-, Pharma- oder Kunststoffindustrie)
zur Kühlung von Maschinen und Anlagen (z. B. in Prozessen der Halbleiterindustrie oder der Kühlung von Serverfarmen)
in zahlreichen Spezial- und Sonderanwendungen wie Kryotechnik, Medizintechnik (u. a. für Laborkühlung, Blutbanken, MRT) oder in der Umwelttechnik (z. B. Wärmerückgewinnung).
Die meisten Kältemittel sind bei Raumtemperatur und Normaldruck gasförmig und werden deshalb oft als Kältemittelgase oder Kühlgase bezeichnet. Diese Kühlgase zeichnen sich dadurch aus, dass sie leicht verflüssigt und verdampft werden können und im Zuge des Phasenwechsels einen besonders effizienten Wärmetransport ermöglichen.
Typische Kühlgase und ihre Einsatzgebiete sind in der folgenden Tabelle dargestellt:
| Kategorie | Kältemittel | Hinweis / Typische Anwendung |
| Anorganische Kältemittel |
Ammoniak, NH3, R717 |
Industrielle Kälteanlagen, Eissportanlagen, Großwärmepumpen |
|
Kohlendioxid, CO₂, R744 |
Tiefkühltruhen im Handel, Transport- und Industriekälte |
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Wasser, R718 |
Absorptionskältemaschinen, Hochtemperatur-Wärmepumpen etc. |
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| Luft, R729 | Flugzeugklimatisierung, Kryotechnik | |
| Organische Kältemittel (Kohlenwasserstoffe) |
Propan, R290 |
Gewerbliche Kühlung, Wärmepumpen, Klimaanlagen |
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Isobutan, R600a |
Haushaltskühlschränke |
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| Propen, R1270 | Industrielle Kälteanlagen, Tiefkühlanwendungen | |
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Synthetische Kältemittel |
HFKWC (teilfluorierte Kohlenwasserstoffe) | |
| R134a |
Alte Fahrzeugklimaanlagen |
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R404A (Gemisch) |
Früher für Gewerbekälte eingesetzt |
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R410A (Gemisch) |
Klimaanlagen |
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R407C (Gemisch) |
Heat pump systems |
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HFO (Hydrofluorolefine) |
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R1234yf |
oderne PKW-Klimaanlagen |
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R1234ze |
Kälte & Wärmepumpen |
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| R513A (Gemisch) | Ersatz für R134a | |
Detektion von Kühlgasen
Kältemittel zirkulieren in geschlossenen Kreisläufen von Kälte-, Klima- und Wärmepumpenanlagen und werden bei ihrem Einsatz nicht verbraucht. Nur bei Leckagen des Kühlsystems können sie in die Umwelt gelangen. Das ist vor allem dann problematisch, wenn die Kühlgase giftig, brennbar bzw. explosiv oder stark klimaschädlich sind. Pyroelektrische Infrarotdetektoren eignen sich hervorragend, um frühzeitig Leckagen von Kühlsystemen – vor allem in geschlossenen Räumen – zu erkennen. Mit Einschränkungen lassen sich auch die Konzentrationen ausgetretener Kühlgase bestimmen.
Für die Detektion und Konzentrationsbestimmung von Kühlgasen eignen sich verschiedene Methoden, darunter FTIR-Spektroskopie, Messungen mit elektrochemischen Detektoren oder Photoionisationsdetektoren (PID). Als Standardmethode hat sich in vielen Bereichen jedoch die nichtdispersive Infrarot-Gasanalyse (NDIR) durchgesetzt, weil sie Kosteneffizienz mit Langlebigkeit verbindet und für ein breites Spektrum an Gasen eingesetzt werden kann.
NDIR-Gasanalyse von Kältemitteln
Viele Kältemittel weisen charakteristische IR-Absorptionsbanden auf, die eine Detektion mittels NDIR-Gasanalyse ermöglichen. Da die eingesetzten Kühlgase bekannt sind, können Infrarotquelle, Detektor und Durchlassbereich des Bandpassfilters auf die kältemittelspezifischen Banden abgestimmt werden.
Typische IR-Absorptionsbereiche von Kältemitteln
Geeignet ist die NDIR-Gasanalyse insbesondere zur stationären Lecküberwachung für eine Vielzahl an Kühlgasen wie CO2, HFKWs, HFOs, eine große Zahl an Kohlenwasserstoffen und Fluorchlorkohlenwasserstoffen. Diese Kältemittel enthalten meist chemische Bindungen wie:
C–F (Kohlenstoff-Fluor-Bindung)
C–H (Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung)
C=O (Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung)
Diese Bindungen schwingen hauptsächlich im mittleren und langwelligen Infrarotbereich zwischen 2,5 µm und 15 µm. Viele Kühlgase weisen daher spezifische Absorptionsbereiche auf, die eine selektive und zuverlässige Detektion ermöglichen.
| Kältemittel |
Absorptionsbanden |
Eignung für NDIR |
|
Fluorierte Kältemittel |
8 – 9 µm | Gut geeignet |
|
Kohlenwasserstoffe |
3 – 3,5 µm | Bedingt geeignet |
| CO2 | 4,26 µm | Sehr gut geeignet |
| NH3 |
9 –11 µm (10,3 µm) |
Bedingt geeignet (Querempfindlichkeit H2O + CO2) |
Der Bereich zwischen 8 und 9 µm ist für die Kältemittelsensorik besonders attraktiv, da in diesem Bereich viele Kühlgase ausgeprägte Absorptionsbanden besitzen, es jedoch keine Störeinflüsse durch Wasserbanden oder Kohlenstoffdioxid gibt.
Das IR-Filter eines pyroelektrischen Detektors muss so gewählt werden, dass es eine möglichst hohe Durchlässigkeit im Bereich der maximalen Absorption des Kältemittels und eine minimale Querempfindlichkeit für störende Wellenlängen aufweist. Zudem müssen IR-Quelle und Detektor in diesem Bereich ausreichend Strahlung abgeben bzw. ausreichend empfindlich auf Strahlung sein.
Analyse von Kältemittel-Gemischen
Liegen Kältemittel als Gasgemische vor, erschwert das die NDIR-Analyse, insbesondere wenn sich die Absorptionsbanden der Einzelkomponenten nur geringfügig unterscheiden. Das ist vor allem dann der Fall, wenn die Kühlgase chemisch und damit spektral sehr ähnlich sind. In der Regel lassen sich bei hohen Querempfindlichkeiten ausschließlich Gesamtkonzentrationen der Gemische bestimmen. Bei separaten Banden einzelner Gase erlauben mehrkanalige Detektoren mit spezifischen Filtern je Kanal die gleichzeitige Detektion der Komponenten und damit die Messung bzw. Berechnung von Einzelkonzentrationen.
Besonderheiten moderner Kältemittel
Moderne Kältemittel der Sicherheitsklasse A2L (eingestuft nach ISO 817 bzw. ASHRAE 34) ersetzen aufgrund von Umweltauflagen zunehmend Kältemittel der Klasse A1 (z. B. R134a). Aufgrund der verringerten Entflammbarkeit verschiebt sich bei diesen Kühlgasen – meist handelt es sich um HFOs und HFO/HFKW-Gemische – der Schwerpunkt von der Detektion kleinster Lecks hin zur Messung von Konzentrationen. So sollen z. B. gefährliche Anreicherungen des Kühlgases in geschlossenen Räumen zuverlässig verhindert oder der Verbrauch der Kältemittel überwacht werden. Detektoren müssen daher besonders langzeitstabil sein und Konzentrationen vom hohen ppm- bis in den %-Bereich zuverlässig messen können.
InfraTec-Lösungen
Gern unterstützen wir Sie bei der Detektion von Kältemitteln. Für Kühlgase wie CO2 oder Kohlenwasserstoffe stehen dabei IR-Filter Standard aus unserem Standardkatalog zur Verfügung, für andere Kältemittel müssen Detektor und Filter von unseren Experten applikationsspezifisch ausgewählt werden. Dabei sind folgende Fragen zu klären:
Welche Kühlmittel sollen detektiert werden?
Wird eine qualitative Detektion (z. B. zum Feststellen von Leckagen) oder eine quantitative Bestimmung von Konzentrationen angestrebt?
Soll die Konzentration einzelner Kühlgase in einem Gemisch bestimmt werden oder die Gesamtkonzentration?
Welchen Einfluss haben andere Gase, die in der Probe vorhanden sind bzw. sein könnten?
Mehrkanaldetektoren
Unabhängig von der Beantwortung dieser Fragen empfehlen wir den Einsatz von planaren Mehrkanaldetektoren der Serien LIM, LMM, LRM sowie digitale Detektoren der PyrIQ®-Serie für die Detektion von Kühlgasen. Insbesondere für eine langzeitstabile Leckdetektion ist es erforderlich, dass im Detektor ein Referenzkanal zur Verfügung steht. Damit lassen sich Einflüsse wie die Verschmutzung der Optik, Detektordrift oder eine schwankende IR-Anregung kompensieren.
Filterauswahl
Für Ihre spezifischen Messaufgaben können wir Ihnen auch eine große Auswahl an Filtern zur Verfügung stellen. Bitte beachten Sie dabei: Für den Erfolg der Detektion ist es nicht entscheidend, den Filter so „schmal“ wie möglich zu wählen. Es kommt vielmehr darauf an, dass dieser optimal den interessanten Spektralbereich abdeckt und robust ist – beides Voraussetzungen dafür, dass der Detektor auch bei Alterung der IR-Quelle oder Temperaturdrift noch verwertbare Ergebnisse liefert.
Detektorsuche
InfraTec bietet Ihnen fünf Produktgruppen mit rund 50 verschiedenen pyroelektrischen Detektoren. Zum Spektrum gehören dabei Detektoren mit reduzierter Mikrofonie und integriertem Operationsverstärker sowie digitale Detektoren.
Wählen Sie Ihre passenden Infrarotdetektoren mit unserer detaillierten Detektorsuche.
