Wie Sensoren für CO2-Leckageerkennung Leben retten können
Das Kältemittel CO2 kommt unter anderem in Kühl- bzw. Kälteanlagen von Supermärkten, bei der Lebensmittelherstellung und -verarbeitung, in Kältekammern und Kühlhäusern sowie begehbaren Gefrierschränken zum Einsatz.
CO2 ist weniger umweltschädlich als andere Gase, die bisher bei diesen Kälteanwendungen verwendet wurden, da es ein wesentlich geringeres Potenzial für globale Erderwärmung (GWP) als HFC- und HCFC-Kältemittel aufweist. Etliche dieser Gase, z. B. R404A, werden wegen ihrer umweltschädlichen Auswirkungen und aufgrund von Vorschriften allmählich aus dem Verkehr gezogen. Diese Faktoren tragen dazu bei, dass CO2 eine attraktive Alternative darstellt, wenn die Anforderungen von Vorschriften wie der F-Gase-Verordnung (EU) 517/2014 erfüllt werden müssen. Die Hersteller von Kälteanlagen haben daher eine immer breitere Palette an CO2-Kälteanlagen im Programm.
CO2-Leckageerkennung ist notwendig
Trotz seiner Vorteile für die Umwelt ist CO2 in höheren Konzentrationen für den Menschen gefährlich. Daher hat die OSHA Grenzwerte für die CO2-Konzentration in der Atemluft festgelegt:
- 5000 ppm: Arbeitsplatzgrenzwert (Occupational Exposure Limit, OEL);
- 40.000 ppm: Unmittelbare Lebensgefahr bzw. Gefahr von Gesundheitsschäden (Immediately Dangerous to Life or Health, IDLH)
Kältemittel-Sicherheitsnormen einschließlich der EN 378-1:2016 berücksichtigen diese Arbeitsplatzgrenzwerte, um sowohl die Sicherheit von Kälteanlagen als auch die Anwendungssituationen zu definieren, die eine CO2-Leckageerkennung erfordern. Dazu gehören u. a. Kälteanlagenräume (z. B. Kältekammern) und begehbare Gefrierschränke, und zwar überall da, wo größere CO2- Kältemittelmengen zum Einsatz kommen.
Auswirkungen von CO2-Lecks
Wie bei allen Kälteanlagen besteht die Möglichkeit, dass im Laufe der Zeit Lecks auftreten. Die Ursachen können falsche Wartung, mechanische Abnutzung, Beschädigungen oder Installationsfehler sein. Bei druckbeaufschlagten Anlagen können diese Faktoren zu einem deutlich erhöhten Leckrisiko führen.
Aufgrund von konstruktiven Anforderungen arbeiten CO2-Kälteanlagen in aller Regel mit hohen Drücken, subkritische und transkritische Systeme oft mit mehr als 100 bar. Solche hohen Drücke bedeuten, dass im Fall eines größeren CO2-Lecks Gas in großen Mengen entweichen kann.
Als Beispiel soll eine begehbare Kältekammer/Gefrierschrank mit einem Raumvolumen von etwa 28 m3 und einem vollständigen Luftaustausch pro Stunde dienen:
- Ein CO2-Leck mit einer Rate von 3,4 kg/h bewirkt eine CO2-Konzentration von 5240 ppm in 5 min. Dies übersteigt die OEL-Grenze und stellt damit bereits eine Gefahr für Personen dar.
- Ein CO2-Leck mit einer höheren Rate von 27 kg/h bewirkt bereits eine CO2-Konzentration von fast 42 000 ppm in 5 min. Dies übersteigt die IDLH-Grenze und wäre für Personen, die diesen Raum betreten, sofort sehr gefährlich.
Diese Beispiele zeigen, dass CO2-Lecks in Kühlräumen potenziell sehr schnell gefährlich werden können. Eine effektive CO2-Leckerkennung ist daher ein wichtiges Hilfsmittel, um eine sichere Umgebung zu gewährleisten.
Wahl eines wirksamen CO2-Leckdetektors
Der CO2-Gehalt wird bei vielen Anwendungen einschließlich der Innenraum-Luftqualität (Indoor Air Quality IAQ) bei Arbeitsumgebungen und Kälteanwendungen überwacht. Dabei ist zu berücksichtigen, dass nicht alle CO2-Überwachungsgeräte zur Leckerkennung bei Kälteanwendungen geeignet sind. Denn bei der Wahl eines geeigneten CO2-Detektors müssen seine Reaktionszeit und die zulässige Betriebstemperatur berücksichtigt werden.
Die CO2-Leckrate und die Geschwindigkeit, mit der eine gefährliche Umgebung entsteht, machen die Reaktionszeit zu einem wichtigen Faktor für eine effektive CO2-Leckageerkennung. Geräte, die sich zur Überwachung von allmählichen Veränderungen des atmosphärischen CO2-Niveaus eignen, z. B. jene, die für IAQ-Anwendungen verwendet werden, sind unter Umständen nicht zur Erkennung von CO2-Lecks geeignet. Denn hier ist eine schnelle Reaktion notwendig, um zu verhindern, dass eine gefährliche Arbeitsumgebung entsteht bzw. betreten wird.
Daher sollten sowohl die angegebene Reaktionszeit des im Leckdetektor verwendeten Sensors und vor allem die Reaktionszeit des Geräts selbst geprüft werden. Denn unterschiedliche Gerätedesigns können eine Auswirkung darauf haben, wie schnell das Gas zu CO2-Sensoren gelangt. Ein Sensor kann beispielsweise direkt der überwachten Atmosphäre ausgesetzt werden und somit eine schnelle Reaktionszeit bieten. Im anderen Fall wird das Gas beispielsweise durch ein Kapillarröhrchen zum Sensor geführt, wodurch sich die Reaktionszeit des Gerätes stark erhöht und die angegebene Reaktionszeit des Sensors selbst übertrifft. Es ist daher von größter Bedeutung, dass die Reaktionszeit des Gasdetektors für die jeweilige Anwendung geeignet ist.
Die Betriebstemperatur ist ein weiterer wichtiger Faktor bei der Wahl des richtigen CO2-Leckdetektors für eine Kälteanwendung. Es gibt nur eine vergleichsweise geringe Zahl von CO2-Sensoren, die zur Verwendung bei Temperaturen unter 0 °C in der Lage sind und gleichzeitig die Reaktionszeiten erreichen, die für eine effektive Verwendung als Kältemittelgas-Detektoren erforderlich sind. Es ist also sicherzustellen, dass die ausgewählten Leckdetektoren für Räume mit niedrigen Temperaturen geeignet sind.
Prinzipiell lässt sich ohne Testdaten nicht beurteilen, wie sich ein Sensor verhalten würde, wenn er außerhalb seines spezifischen Betriebsbereiches betrieben würde, da jeder Sensor anders reagiert.
Ungeeigneter CO2-Sensor = schlechte Lösung
Bei einem für die CO2-Leckageerkennung (für die jeweilige Anwendung) ungeeigneten Gerät funktioniert bestenfalls der Sensor nicht und es wird ein Fehler erkannt. Im schlimmsten Fall wird ein ungültiger oder sogar falscher Messwert ermittelt. Dies bedeutet, dass ein Sensor, der außerhalb seines vorgegebenen Betriebsbereichs eingesetzt wird, schlechter ist, als wenn überhaupt kein Sensor zur CO2-Überwachung eingesetzt wird. Denn der Einbau eines solchen nicht geeigneten Sensors vermittelt ein Gefühl der Sicherheit, kann aber dadurch die im Raum befindlichen Personen einer gefährlichen CO2-Konzentration aussetzen, ohne dass der Sensor entsprechend reagiert.
Dieser Beitrag von Tom Burniston, Produktmanager für Fixed Instrumentation bei Bacharach Inc. erschien zuerst in KK - Die Kälte + Klimatechnik Ausgabe: 01-2018.
