Kältemittelleckage-Erkennung

Autor: Key Account Manager Manuel Eckstein, Inside Sales Administrator Katherine Lee

Um die Umweltbelastung zu reduzieren, wurde die Verwendung vieler gängiger Kältemittel in den letzten Jahren eingeschränkt. Die Heizungs-, Lüftungs-, Klima- und Kälteindustrie (HLKK) steht unter zunehmendem Druck, Kältemittel sorgfältig auszuwählen und sich von den weit verbreiteten Fluorkohlenwasserstoffen (HFC) zugunsten von Kältemitteln mit geringerem Treibhauspotenzial (GWP) zu verabschieden. Der sichere Einsatz dieser relativ neuen Kältemittel erfordert überarbeitete Leckage-Erkennungstechnologien. Diese Sicherheitsanforderungen werden durch neue Normen kodifiziert (z. B. UL 60335-2-40 dritte Ausgabe und IEC-60079-29-1). Nach der jüngsten Entscheidung des California Air Resources Board (CARB) werden diese neuen Anforderungen bereits im Jahr 2025 in die Baunormen für Wohn- und Gewerbeklimaanlagen aufgenommen.

In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf die verschiedenen Klassen von Kältemitteln, die in der HLKK-Industrie verwendet werden, auf die aktuellen Verschiebungen bei ihrer Verwendung und auf einige der «Lecksuch»-Technologien, die für die Einhaltung neuer Umwelt- und Sicherheitsvorschriften in der Branche unerlässlich sein können.

Als die ozonschädigenden Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) und teilhalogenierten Fluorchlorkohlenwasserstoffe (H-FCKW) im Rahmen des Montrealer Protokolls aus dem Verkehr gezogen wurden, wurden als Ersatz Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW) eingeführt. HFKW sind jedoch starke Treibhausgase, und es gibt derzeit weltweite Bemühungen, ihren Einsatz zu reduzieren.

Obwohl der derzeitige Beitrag von HFKWs zum Klimawandel gering ist, wird erwartet, dass dieser schnell ansteigt, wenn er unkontrolliert bleibt. Daher muss ihre Verwendung eingeschränkt werden, um die globale Erwärmung abzumildern. Die Kigali-Änderung (Oktober 2016) des Montreal-Protokolls schreibt deshalb einen strikten globalen Ausstieg aus HFKW vor.

Infolgedessen wendet sich die HLKK-Industrie alternativen Systemen zu, die Kältemittel mit einem geringeren Treibhauspotenzial (GWP) verwenden. Die Einführung von Kältemitteln mit geringem GWP bringt jedoch einige Herausforderungen mit sich.

Klassifizierung von Kältemitteln

Die ASHRAE-Norm 34 kategorisiert Kältemittel grob nach ihrer Entflammbarkeit und Toxizität. Jedem Kältemittel sind ein Kennbuchstabe und eine Nummer zugeordnet: Der Buchstabe bezeichnet eine Toxizitätsklasse, die Nummer die Entflammbarkeit.

Dieses Sicherheitsklassifizierungssystem wurde kürzlich um die Unterklasse "2L" der Entflammbarkeit erweitert, welche Kältemittel der Klasse zwei bezeichnet, die entflammbar sind, aber sehr langsam brennen.

Herkömmliche Kältemittel - d.h. HFCKW, FCKW und die HFKW, die sie ursprünglich ersetzten - wurden aufgrund ihrer Sicherheit und Haltbarkeit ausgewählt. Daher haben sie im Allgemeinen eine geringe Entflammbarkeit und eine geringe Toxizität. Das am häufigsten verwendete FCKW-Kältemittel, Dichlordifluormethan, ist zum Beispiel in die Sicherheitsgruppe A1 eingestuft.

Es gibt nur wenige brauchbare Kandidaten für Kältemittel, die die doppelte Anforderung eines niedrigen Ozonabbaupotenzials und eines niedrigen Treibhauspotenzials erfüllen; dazu gehören fluorierte Alkene (HFOs), Kohlenwasserstoffe (z. B. Propan) und HFOs mit niedrigem Treibhauspotenzial. Die Industrie hat aktiv an der Entwicklung einer neuen Klasse von schwer entflammbaren Kältemitteln, bekannt als A2L, gearbeitet, um der Herausforderung eines niedrigeren GWP gerecht zu werden - aber die praktischsten Optionen haben eines gemeinsam: sie sind brennbarer als herkömmliche Kältemittel.

Sicherer Einsatz von umweltverträglichen Kältemitteln

Die Entfernung von umweltschädlichen HFKWs wird dazu führen, dass sich viele Branchen für brennbare Kältemittel der A2L-Klasse entscheiden. Die Sicherheitsanforderungen an HLKK-Anlagen, die diese brennbaren Low-GWP-Kältemittel verwenden, sind in mehreren neuen Normen kodifiziert. In den USA sind dies die UL 60335-2-40 (3. Auflage) und die IEC-60079-29-1.

Eines der Hauptrisiken bei der Verwendung dieser Kältemittel ist die Verbrennung oder Explosion nach einer Undichtheit. Die oben genannten Normen schreiben den Einsatz von Lecksuchgeräten in HLKK-Anwendungen vor, um dies zu verhindern.

Die Normen selbst zwingen zwar noch niemanden zum Einsatz von Lecksuchsystemen. In Bezug auf Klimaanlagen für Wohn- und Gewerbegebäude werden diese Standards jedoch bereits ab 2025 in die staatlichen Bauvorschriften aufgenommen. Das California Air Resources Board (CARB) zum Beispiel verfolgt einen aggressiven Zeitplan, um HFKWs zugunsten von A2L-Kältemitteln auslaufen zu lassen. Die vorgeschlagenen Änderungen setzen die OEMs unter Druck, sich schnell auf die Verwendung von brennbaren Kältemitteln einzustellen.

Kältemittelleckage-Erkennungstechnologie

Die beiden grössten Kandidaten für die Erkennung von Kältemittelgasen mit niedrigem GWP sind Metalloxid-Halbleiter (MOS) und nicht-dispersives Infrarot (NDIR).

Metalloxid-Halbleiter-Sensoren arbeiten nach dem Prinzip, dass sich der elektrische Widerstand bestimmter Halbleitermaterialien in Reaktion auf Oberflächenwechselwirkungen zwischen dem Halbleiter und bestimmten Gasen ändert. Die Messung des elektrischen Widerstands eines Metalloxid-Halbleiters kann daher die Konzentrationen von Gasen und Dämpfen in der Luft ermitteln.

MOS-Sensoren sind in der Regel kostengünstig zu produzieren und die Technologie ist an eine Vielzahl von Kältemitteln anpassbar. Es wurden neue MOS-Sensoren entwickelt, um A2L-Kältemittel wie HFC-32 und HFC-1234yf zu erkennen.

Allerdings sind MOS-Sensoren nicht ohne Nachteile. An erster Stelle steht die Anfälligkeit für "Drift", was sich auf die natürliche Dekalibrierung im Laufe der Zeit bezieht. Alle (Gas-)Sensoren müssen kalibriert werden, damit sie bei bestimmten Gaskonzentrationen einen genauen Messwert liefern. MOS-Sensoren sind jedoch besonders anfällig für Genauigkeitsverluste, da sich die Eigenschaften des Sensors als Reaktion auf die Umgebungsbedingungen allmählich ändern; daher müssen sie regelmässig neu kalibriert werden.

Das zweite Problem bei MOS-Sensoren ist die geringe Selektivität. Sie sind oft ineffektiv bei der Unterscheidung zwischen Zielgasen und anderen flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) wie Ethanol, was zu falsch positiven Ergebnissen führen kann.

Zusätzlich zu diesen Problemen verschlechtern sich MOS-Sensoren, wenn sie Kältemitteln und anderen Gasen ausgesetzt werden. Dies kann zu einem dauerhaften Ausfall eines MOS-basierten Gasdetektors führen, nachdem er einmalig hohen Kältemittelkonzentrationen ausgesetzt war. Dies bedeutet, dass MOS-Sensoren nur für den einmaligen Gebrauch geeignet sind: Ein einziger Kältemittelleckagefall kann MOS-Sensoren unbrauchbar machen und einen sofortigen Austausch erforderlich machen.

Nichtdispersive Infrarotsensoren sind spektroskopisch. Verschiedene Gasmoleküle haben charakteristische Infrarot-Absorptionseigenschaften: NDIR-Sensoren messen die Abnahme der IR-Transmission über eine kurze Strecke und verwenden diese Information, um die Konzentrationen der Zielgase in der Luft zu bestimmen.

NDIR-Sensoren haben eine viel höhere Selektivität als MOS-Sensoren und werden aus diesem Grund bereits häufig eingesetzt. Wichtig ist, dass sie nicht die gleiche Verschlechterung erfahren wie MOS-Sensoren und nicht unter den gleichen Drift-Problemen leiden. Dies hat jedoch seinen Preis: NDIR-Sensoren sind viel teurer als MOS-Sensoren.

Die nahe Zukunft der Kältemittelüberwachung

Wir können zuversichtlich davon ausgehen, dass der Einsatz von brennbaren Kältemitteln mit niedrigem Treibhauspotenzial in HLKK-Anwendungen in nicht allzu ferner Zukunft zunehmen wird. Es ist jedoch noch nicht klar, ob NDIR- oder MOS-Geräte die dominierende Technologie für die Erkennung dieser Gase sein werden. Mehrere andere Sensortechnologien werden derzeit für Anwendungen zur Kältemittelerkennung entwickelt, einschliesslich solcher, die die lokale atmosphärische Wärmeleitfähigkeit (TC) messen, um die Konzentration der Zielgase zu bestimmen.

Wir können davon ausgehen, dass die Reaktionszeit einer Sensorlösung ein kritischer Faktor sein kann, da OEMs ausreichend Zeit benötigen, um bei Erreichen eines alarmierenden Niveaus die erforderlichen Abhilfemassnahmen einzuleiten. Auf Wärmeleitfähigkeit basierende Sensoren haben gezeigt, dass sie in dieser Hinsicht andere Sensortypen übertreffen, was ihnen für diese Anwendungen einen Vorteil gegenüber MOS- oder NDIR-Sensoren verschaffen könnte.

Unabhängig davon, welche Technologie sich durchsetzt, wird dies in den kommenden Jahren ein sich entwickelnder Markt sein, da neue Sicherheitsstandards in die Gesetzgebung aufgenommen werden. Es wird interessant sein zu sehen, wie sich die Gasmesstechnik an die neuen Herausforderungen in der HLKK-Industrie anpassen wird.

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Referenzen und weiterführende Literatur
11/2021
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