Der Frühling ist da und Sie brauchen vielleicht etwas Abkühlung!

Während der Tagundnachtgleiche im Frühling scheint die Sonne und das Wetter ist wärmer.

Diese Woche erreichte die Höchsttemperatur in Peking 20 °C. Kalte Getränke wie Eiscreme und Kühlgeräte wie Kühlschränke und Klimaanlagen haben allmählich Einzug in unseren Alltag gehalten und sind untrennbar mit den Kühlmitteln verbunden, die im Hintergrund still arbeiten.

Kennen Sie den ersten Kühlschrank der Welt? Der bronzene Eisspiegel der Streitenden Reiche (Abbildung 1) befindet sich heute in der Sammlung des Nationalmuseums von China. Im „Buch Zhou: Lingren“ steht: „Zu Frühlingsbeginn werden Spiegel aufgestellt. Alle Mahlzeiten, die im Haus und im Freien zubereitet werden, werden in den Spiegel gestellt. Alle Weine und Spirituosen werden auf die gleiche Weise zubereitet. Bei Opferungen werden eiskalte Spiegel verwendet.“ Die Alten füllten Wein in einen Zun und legten Eiswürfel in den Raum zwischen Spiegel und Wand, damit sie im Frühling und Sommer eisgekühlten Wein trinken konnten.

Abbildung 1 Der älteste Kühlschrank der Welt: ein bronzener Eiskrug aus der Zeit der Streitenden Reiche [3]

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Was ist Kältemittel? Was ist die Funktion?

Kältemittel (auch Kältemittel genannt) ist eine Substanz, die zum Absorbieren und Übertragen von Wärme in einem Kältekreislaufsystem verwendet wird.

In einem typischen Kältekreislaufsystem mit Dampfkompression (Abbildung 2) nimmt das Kältemittel zunächst Wärme im Verdampfer (Niedertemperaturzone) auf und gibt diese dann im Kondensator (Hochtemperaturzone) ab. Gleichzeitig wird das Kältemittel vom Verdampfer zum Kondensator übertragen und überträgt Wärme von der Niedertemperaturzone in die Hochtemperaturzone, wodurch die Niedertemperaturzone gekühlt wird.

Im täglichen Leben entsprechen die Hochtemperaturzone und die Niedertemperaturzone dem Kühlschrank (Klimaanlage) im Gefrier-/Kühlschrank (Raum) und in der Innenumgebung (Außenumgebung).

Abbildung 2 Schematische Darstellung eines Dampfkompressions-Kältekreislaufs [1,2]

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Welche Arten von Kältemitteln gibt es?

Der ASHRAE-Standard 34 (American Society of Heating, Ventilation and Air-conditioning Engineers) listet mehr als 100 Kältemittel auf, die nach verschiedenen Methoden wie chemischer Zusammensetzung, physikalischen Eigenschaften, Anwendungsbereichen und Umweltfreundlichkeit klassifiziert werden können. Einzelheiten finden Sie in Tabelle 1.

Tabelle 1 Klassifizierung von Kältemitteln

Die übliche Klassifizierungsmethode besteht darin, Kältemittel anhand ihrer chemischen Zusammensetzung in anorganische Verbindungen, Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), Fluorchlorkohlenwasserstoffe (H-FCKW), Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) und Kohlenwasserstoffe (KKW) zu unterteilen. Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), teilhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe (H-FCKW) und teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) sind allgemein als Freone bekannt (Abbildung 3).

Teilhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe (H-FCKW) Kältemittel R22

Fluorkohlenwasserstoff (HFKW) Kältemittel R32

Abbildung 3: Freon-Kältemittelprodukte[4]

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Warum brauchen wir Kältemittel?

Kältemittel spielen in der modernen Gesellschaft eine unverzichtbare Rolle (Abbildung 4). Sie ermöglichen die Temperaturregelung durch Aufnahme und Abgabe von Wärme durch Kälteanlagen wie Klimaanlagen, Kühlschränke und Kältemaschinen.

Im täglichen Leben hat die Beliebtheit von Haushaltsklimaanlagen und Kühlschränken die Lebensqualität und die Produktionseffizienz der Menschen verbessert. In der Lebensmittellagerungs- und -transportbranche können Kühl- und Gefriertechnologien die Frische von Lebensmitteln erhalten und die Haltbarkeitsdauer von Waren verlängern. In den Bereichen Gesundheitswesen und Biochemie werden häufig Kühlmittel eingesetzt, um sicherzustellen, dass die Temperatur für die Lagerung und Verwendung von Medikamenten, Geräten und Reagenzien angemessen ist [5]. In Eis- und Schneesportstätten ist der Prozess der Eisherstellung und -lagerung untrennbar mit Kühlmitteln verbunden.

Abbildung 4 Weit verbreitete Anwendung von Kältemitteln

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Hat das Kältemittel schädliche Auswirkungen auf den menschlichen Körper und die Umwelt?

Einige der damals verwendeten FCKW-Kältemittel waren umweltschädlich und führten zur Zerstörung der Ozonschicht und zur globalen Erwärmung (Abbildung 5).

Aus diesem Grund formulierten die Vereinten Nationen das Montrealer Protokoll, und die meisten Länder, darunter auch mein Land, unterzeichneten das Protokoll im August 1987, um die Verwendung von FCKW-Kältemitteln schrittweise einzustellen und zu verbieten. Speziell:

Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) schädigen die Ozonschicht , erhöhen die UV-Strahlung und beeinträchtigen Ökosysteme und das globale Klima . Es wurde im Montrealer Protokoll als kontrollierte Substanz der Klasse I aufgeführt und im Jahr 2010 schrittweise aus dem Verkehr gezogen und weltweit verboten.

Teilhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe (H-FCKW) haben eine wesentlich geringere Zerstörungskraft für die Ozonschicht als Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) und sind derzeit der wichtigste Übergangsersatz für letztere. Einige von ihnen müssen gemäß dem Montrealer Protokoll bis 2020 oder 2030 auslaufen.

Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) zerstören zwar nicht die Ozonschicht, haben jedoch ein großes Potenzial, die globale Erwärmung zu verursachen . Im Montrealer Protokoll ist kein Enddatum für ihre Nutzung festgelegt und im Kyoto-Protokoll zum Rahmenübereinkommen der Vereinten Nationen über Klimaänderungen werden sie als Treibhausgase eingestuft. Darüber hinaus können Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) und teilhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe (H-FCKW) aufgrund ihrer Toxizität Haut- und Atemwegssymptome verursachen .

Mit der kontinuierlichen Entwicklung neuer Technologien und dem zunehmenden Umweltbewusstsein wurden diese zerstörerischen Kältemittel jedoch nach und nach durch neue grüne Kältemittel wie Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffe (HCs) ersetzt, die umweltfreundlich, sicher und gesund sind.

Professor Zhang Xinrong von der Peking-Universität verwendete ein transkritisches Kohlendioxid-Kühlsystem, um die umweltfreundlichste Eisbahn in der Geschichte der Olympischen Winterspiele zu entwickeln[10], die auf dem National Speed ​​​​Skating Oval „Ice Ribbon“ (Abbildung 4d) eingesetzt wurde.

Abbildung 5 Ozonloch und globale Erwärmung

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Warum ist eine Kältemittelrückgewinnung notwendig?

Der Einsatz von Kältemitteln erfordert eine umfassende Berücksichtigung vieler Faktoren wie Energieeffizienz, Umweltschutz, Sicherheit und Kosten.

In meinem Land sind Kühlmittel nach Methan und Distickstoffoxid die drittgrößte Quelle von Nicht-CO2-Treibhausgasemissionen (Abbildung 6). Die geschätzten jährlichen Emissionen übersteigen 500 Millionen Tonnen CO2-Äquivalent. Mehr als 90 % der Gesamtemissionen über den Lebenszyklus der Geräte entfallen dabei auf die Emissionen aus Nutzung, Wartung und Demontage.

Durch das Recycling von Kältemitteln kann die Luftverschmutzung verringert, der Treibhauseffekt gemindert, Kosten und Ressourcen gespart und eine nachhaltige Entwicklung gefördert werden.

Allerdings beträgt die jährliche Recyclingmenge an Kältemitteln in meinem Land derzeit weniger als 3 % des Jahresverbrauchs und ist damit deutlich niedriger als in Industrieländern.

Zu den Hauptgründen für dieses Problem zählen hohe Recyclingkosten, das Fehlen eines Kältemittel-Lebenszyklusmanagementsystems und ein geringes Umweltbewusstsein bei Anwendern und Praktikern [13].

Abbildung 6: Anteil der Nicht-CO2-Treibhausgasemissionen in meinem Land im Jahr 2014[14]

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Wie ist die Entwicklung bei Haushaltskältemitteln?

In den letzten Jahrzehnten hat sich die Kältemittelindustrie meines Landes rasant entwickelt und befindet sich in einer Phase schnellen Wachstums. In den letzten Jahren hat sich das Verhältnis von Angebot und Nachfrage bei Kältemitteln allmählich ausgeglichen.

Mein Land hat sich zu einem bedeutenden Produzenten (Abbildung 7) und Verbraucher von Kältemitteln entwickelt und außerdem eine Reihe von Umweltschutzrichtlinien und -vorschriften in Bezug auf Kältemittel eingeführt (Tabelle 2), um eine nachhaltige Entwicklung zu fördern.

So wurden beispielsweise im Jahr 2010 die „Verordnungen zum Umgang mit Stoffen, die zum Abbau der Ozonschicht führen“ erlassen, um die Verwendung und Produktion von FCKW und anderen ozonschädigenden Luftschadstoffen einzuschränken.

Derzeit entwickeln sich Haushaltskältemittel schrittweise in eine umweltfreundlichere, energiesparendere, intelligentere und nachhaltigere Richtung.

Abbildung 7: Die Kältemittelproduktion meines Landes R22 und R32 von 2016 bis 2020[15]

Tabelle 2 Richtlinien und Vorschriften zu Kältemitteln

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Wie ist die Entwicklung der Kältemittel international?

International entwickeln sich Kältemittel hin zu grünen, umweltfreundlichen, energieeffizienten und zeitgemäßen Verfahren, was sich vor allem in folgenden Aspekten widerspiegelt:

Verstärkter Einsatz umweltfreundlicher Kältemittel : Frühere Kältemittel auf Basis von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) wurden abgeschafft oder verboten, und immer mehr Länder und Regionen verwenden umweltfreundliche Kältemittel, um den Umweltschutzanforderungen gerecht zu werden und die Treibhausgasemissionen zu reduzieren.

Energiesparende Optimierung von Kälteanlagen : Durch die Verbesserung der Energieeffizienz von Kälteanlagen und die Reduzierung des Energieverbrauchs können die immer strengeren Anforderungen an Energieeinsparung und Emissionsreduzierung erfüllt werden.

Anwendungserweiterung multifunktionaler Kältemittel : Neben traditionellen Bereichen wie Klimaanlagen und Kühlschränken werden Kältemittel zunehmend auch im Gesundheitswesen, in den Biowissenschaften, in der industriellen Fertigung und in anderen Bereichen eingesetzt.

Entwicklung der Kältemittelrückgewinnungs- und -regenerationstechnologie : Die Kältemittelrückgewinnungs- und -regenerationstechnologie hat mehr Aufmerksamkeit erhalten[16], und Länder und Regionen wie Japan haben sogar verbindliche Vorschriften und Richtlinien formuliert.

Abbildung 8 Kältemittelrecycling in verschiedenen Bereichen in Japan von 2003 bis 2018 [16]

Quellen:

[1] Wang Ruzhu, Ding Guoliang, Wu Jingyi et al. Kältetechnik und Kältetechnik [M]. Peking: Science Press, 2003.

[2] Shi Wenxing, Wang Baolong, Shao Shuangquan. Entwurf einer kleinen Klimaanlage mit Wärmepumpe [M]. Peking: China Architecture & Building Press, 2013.

[3] Bronzener Eisspiegel [EB/OL]. Nationalmuseum von China, [2023-03-14]. https://www.chnmuseum.cn/zp/zpml/kgdjp/202008/t20200824_247219.shtml.

[4] Kältemittel [EB/OL]. Shandong Huaan Neue Materialien Co., Ltd., [2023-03-15]. http://www.sdhazl.com/cn/cold.html.

[5] Liu Jing. Prinzipien der kryogenen Biomedizintechnik[M]. Peking: Science Press, 2007.

[6] Midea-Kühlschrank[EB/OL]. [2023-03-14]. https://www.midea.cn/1/1000000000400692349799.html.

[7] Unterstützung des Exports von Wollhandkrabben nach Singapur, wodurch „frische chinesische Produkte“ ins Ausland gelangen können [EB/OL]. [2023-03-15]. https://intl-img.sf-express.com/zh/xwgg/20171103/838.html.

[8] Kryokonservierung: Anwendungen und Fortschritte[EB/OL]. Zellwissenschaft von Technology Networks, [2023-03-15].http://www.technologynetworks.com/cell-science/articles/cryopreservation-applications-and-advances-349021.

[9] Das National Speed ​​​​Skating Oval „Ice Ribbon“ hat seine erste Eisherstellung erfolgreich abgeschlossen[EB/OL]. Xinhuanet, [2023-03-15]. http://www.xinhuanet.com/politics/2021-01/22/c_1127015176.htm.

[10] Dialog zu den Olympischen Winterspielen | Interview mit Zhang Xinrong von der Peking University School of Engineering: Entwicklung der umweltfreundlichsten Eis- und Schneebahn in der Geschichte der Olympischen Winterspiele [EB/OL]. Peking University, [2023-03-15]. https://www.coe.pku.edu.cn/newsfocus/topic/11285.html.

[11] GRAY E. NASA meldet Rekordtiefstand des Ozons in der Arktis im März[EB/OL]. NASA, 15.04.2020.(15.04.2020)[15.03.2023] .http://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/nasa-reports-arctic-stratospheric-ozone-depletion-hit-record-low-in-march.

[12] Die letzten acht Jahre waren nachweislich die acht wärmsten seit Beginn der Wetteraufzeichnungen[EB/OL]. Weltorganisation für Meteorologie, 11.01.2023.(11.01.2023)[15.03.2023].https://public.wmo.int/en/media/press-release/past-eight-years-confirmed-be-eight-warmest-record.

[13] Tang Junjie, Mitglied des Nationalen Komitees der Politischen Konsultativkonferenz des chinesischen Volkes: Stärkung des Kältemittelrecyclings [EB/OL]. Zwei nationale Sitzungen 2023, [2023-03-07]. https://www.spb.gov.cn/gjyzj/2022lhjytap/202303/320e80e1a6db4c62ba9de23762c7d39c.shtml.

[14] Tsinghua University Institute of Climate Change and Sustainable Development Project Comprehensive Report Writing Group. Umfassender Forschungsbericht zu Chinas langfristiger Strategie für eine kohlenstoffarme Entwicklung und seinem Transformationspfad[J]. Chinesische Bevölkerung, Ressourcen und Umwelt, 2020, 30(11): 1–25.

[15] Gao Enyuan, Han Meishun. Analyse des chinesischen Marktes für Kältemittelprodukte im Jahr 2020[J]. Kältetechnik, 2021, 41(S1): 51–59.

[16] Gao Huan, Gu Xin, Ding Guoliang. Analyse des aktuellen Stands der Kältemittelrückgewinnung und -regeneration[J]. Journal of Refrigeration, 2021, 42(5): 17–26.

ENDE

Quelle: Beijing Society of Refrigeration

Beitragender: Zhang Xuan, Außerordentlicher Professor, Fakultät für Maschinenbau und Fahrzeugtechnik, Beijing Institute of Technology

Ausgewählt für das Jugendtalent-Förderprojekt 2023–2025 der Beijing Association for Science and Technology

Herausgeber: Guru