Eigenschaften von R744 − allgemeine Anlagen- und Auslegungskriterien

Kohlendioxid − CO₂ − ist natürlicher Bestandteil der Atemluft. Die durchschnittliche Konzentration in der Atmosphäre beträgt 400 .. 420 ppm. Verwendet als Kältemittel, trägt Kohlendioxid die ISO817/ASHRAE34 Nomenklatur R744.

Chemische Eigenschaften:

R744 ist in Wasser gut löslich. Bei einer Temperatur von 15°C und einem Druck von 1 bar löst 1 dm³ Wasser, 1 dm³ R744. In Wasser gelöst nennt es sich Kohlensäure. Als Gas ist es chemisch und thermisch stabil genug für den Einsatz als Kältemittel.

Physiklische Eigenschaften:

R744 ist ein geruchs- und farbloses Gas. Das CO₂-Molekül ist nicht polar. R744 ist nicht giftig und nicht brennbar.

Phasendiagramm und Phasenwechsel von R744:

Sicherheitsrelevante Eigenschaften:

• Nach EN378-1 ist R744 ein Kältemittel der Sicherheitsklasse A1, d. h. Toxizitätsklasse A „nicht giftig“ und der Brennbarkeitsklasse 1 „nicht brennbar“.
• R744 wirkt in höheren Konzentrationen erstickend. Höhere R744-Konzentrationen in der Atemluft mindern die Absorption von Luftsauerstoff in der Lunge.
• Aufgrund der hohen Dichte verdrängt R744 den Luftsauerstoff in geschlossenen Räumen oder in Bodennähe.
• R744 ist geruch- und farblos, im Falle einer Emission nicht direkt wahrnehmbar.

Thermodynamische Eigenschaften:

• Das spezifische Volumen der Flüssigkeitsphase von R744 vergrößert sich mit steigender Temperatur, stärker als bei anderen üblichen Kältemitteln.
• In abgesperrten Berechen einer Anlage kann diese Eigenschaft zu einem sicherheitsrelevanten Anstieg des Drucks führen, sobald kein Platz/freies Volumen mehr für die Ausdehnung der Flüssigkeit zur Verfügung steht.
• Die folgende Abbildung zeigt den Druckanstieg in einer R744-Kältemittelflaschen bei steigender Temperatur für zwei Füllverhältnisse. Bei einer Temperatur von 20°C entspricht der Sättigungsdruck 57 bar (an der grünen Siedelinie ablesbar). Bei 22,2°C ist die Flasche bei einem Füllverhältnis von 0,75 kg/l völlständig gefüllt. Ein weiterer Temperaturanstieg führt entlang der gelben Funktion (isochore Zustandsänderung) zu einem Druckanstieg. R744-Kältemittelflaschen sind für einen maximalen Druck von 180 bar ausgelegt. Dieser Druck wird bei einer Temperatur von 50°C erreicht!

Aufgrund der geringen kritischen Temperatur des Kältemittels R744, erfolgt die Wärmeabgabe bei hohen Wärmesenketemperaturen im superkritischen Bereich, d. h. oberhalb des kritischen Punktes. Die Wärmeaufnahme in den Verdampfern erfolgt dagegen weiterhin im subkritischen Bereich. Dadurch, dass die Prozessführung sowohl unterhalb, als auch oberhalb des kritischen Punktes erfolgt, wird der Prozess als transkritischer Prozess bezeichnet (siehe folgende Abbildung).

Weil Druck und Temperatur oberhalb des kritischen Punktes unabhängig voneinander sind (nur sensible Wärmeänderung), ist die Effizienz, bzw. der Coefficient of Performance (COP), für eine konstante Gaskühleraustrittstemperatur eine Funktion des Drucks (siehe folgende Abbildung).