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What do the PFAS parts in refrigeration components do and what might happen, if we take them out? 2023-08-25 not exhaustive Heinz Juergensen BITZER Khlmaschinenbau GmbH What do refrigeration systems, to the widest extend designed as vapour compression systems, and including heat pumps, air conditioning systems, serve for in our society. Cooling production processes, metal machining, factory buildings Parliament buildings, hotels, office buildings air conditioning and heating Private home heat pump heating and air conditioning Hospital air conditioning cooling Cool working places at high ambient temperature, like in steel works District heating heat pumps Elevate industrial waste heat to useful temperature levels for re-use with high temperature heat pumps, to be remarkably extended Cooling food processing in factories Cooling food storage buildings and rooms Cool and control temperature in processes in pharmaceutical industry Cool storage of food, drinks, vaccines, pharmaceutical products Cool fermenting processes in vine and beer production Cool the cabinets, desks, storage rooms in shops, restaurants, cantines, cafes Cool transport trucks and train cars for perishable and frozen food and other stuff Cool transport containers for long distance refrigerated transport of perishable, frozen or otherwise temperature sensitive goods Cool the concrete with crushed ice for casting very massive parts, like dams Cool data centers for companies, banks, stock exchange, internet traffic, cloud services, telephone networks Cool testing and research laboratories to stable conditions Cool electronics, especially on military versions, food and cabins onboard ships Cool electronics and back up batteries in mobile phone network stations Cool high power charging stations and charging cables for electric cars What do the PFAS containing polymers (plastics) inside the components of the refrigeration system do? Deliver its performance in refrigeration systems, that are intended to operate safely for more than 15 years, sometimes more than 30 years Deliver its performance under pressure and at widely varying temperatures, down to below -50 C and up above 180 C, in future even higher Seal compartments to other compartments in the system or component, or to the surrounding air with long term stability and stable form Guide moving parts like valve spindles, actuator pins in expansion valves, control slider pistons in compressors, with low friction and low wear Seal moving parts like shafts of open type compressors, valve spindles with low friction and without sticking Seal shut off valves and safety related pressure relief valves with reliable seal and non sticking even at very rare actuation  Deliver emergency lubrication in slider bearings and other surfaces with moving contact Electrically isolate wires at rough conditions with high temperature and in an atmosphere of a solvent and an oil, especially for temperature limiting safety sensors, like in AC motors Do their sealing, guiding, moving tasks with various combinations of refrigerants and oils, also many multi component refrigerant blends What has to be investigated to check an alternative plastic or design solution for reliable functioning in the system and component and how long will it take, and why? Changes in material characteristics can cause a failure or reduced function o Dwelling, shrinking, softening, hardening, increased surface friction, increased wear, long term degradation of characteristics .... Functions can be o keeping shape as seal, keep elastically tight, low friction when moving, non sticking, stable with oil and solvent (refrigerant), wear resistant when moving, robust at high and low temperature The amount of difference to the PFAS possible to be tolerated o Some material and supplier specific experience exists inside companies, but no 100% safe numbers are available o dwelling and shrinking is usually restricted to 1 % or 2 % The time necessary to qualify alternatives for all PFAS applications in refrigeration systems will surely be more than 10 years, whereby the influence of long term stability of characteristics can only be estimated o It did take more than 50 years to reach todays reliability standards, and remarkable improvements were made during the last 15 to 20 years o changes in characteristics might limit applications, like e.g. industrial high temperature heat pumps or heat recovery Refrigeration system components are mostly released based on company specific accelerated reliability tests and can not be made based only on simulation and computing and component parts testing o even a redesign of the sealing systems is probably necessary, to make other materials useful, with some components Many new developments are tested in field tests with customers for some years before full market release What can happen, if a sealing, gasket, functional part or coating fails or wears during operation? A failed seal to the ambient will lead to loss of refrigerant. From about 10 % to 20 % of the total charge the loss will affect refrigeration capacity and efficiency, increasing energy consumption and operating cost An internal seal failure will either block a specific function or reduce efficiency. Seal failures in control valves or control parts of compressors will lead to incorrect function and control. Finally this will mostly reduce capacity and efficiency and thus increase energy consumption and cost  Failing coatings will lead to wear and in the long run, but partly also very quickly to breakdown of components like compressors, lowering the capacity and controllability What could be the failure rates of systems due to failing of small gaskets, seals, bearings, guiding parts of low friction, non stick plastic? This can not be guessed exactly, as before using PFAS, for some parts, like bearings or valve pin gaskets, amongst others, lead containing materials were used for emergency lubrication issues. And this lead is not allowed any longer, too. Thus the risk is to get to levels even higher than before intro of PFAS, which could easily be yearly failure rates with 2 digits percentage, roughly estimated. How could a failure of a single system or component be compensated by redundancy? In larger systems cooling or heating high value contents or goods, complete extra systems or extra components inside the system can deliver redundancy, at extra cost and space need How much has to be done and invested into this redundancy? In the many small refrigeration and heat pump systems with only 1 compressor, expansion valve and so on, each, the redundancy can cost 30 % to 50 % extra for partial redundancy How much will the repair and replacements due to the failings cost? How has the change in operating conditions affected the use of PFAS? Energy efficiency demands partly reduced the high side pressures, which lead to development of more specially adapted high efficiency versions of compressors with less robustness reserves, relying on fluoropolymers for emergency conditions and run in. Special versions of systems for heat recovery and higher temperature heat pumps increased the load on the designs and the need for improvements at more demanding conditions, in temperature and mechanical load. This introduced more fluoropolymers in gaskets and wear reducing parts, bearings, coatings, moving sealings. Was tun Teile aus PFAS in Komponenten von Klteanlagen und was knnte passieren, wenn sie heraus genommen werden? 2023-08-25 nicht umfassend Heinz Juergensen BITZER Khlmaschinenbau GmbH Was machen Klteanlagen, weit berwiegend als Kaltdampfkompressionsanlagen gestaltet, und einschlielich Wrmepumpen, Klimaanlagen, in unserer Gesellschaft. Khlen Produktionsprozesse, Metallbearbeitung, Fabrikgebude Parlamentsgebude, Hotels, Brogebude klimatisieren und heizen Private Wohnungen mit Wrmepumpen beheizen und klimatisieren Krankenhuser klimatisieren und khlen Arbeitspltze bei hohen Umgebungstemperaturen khlen, z.B. in Stahlwerken Fernwrmeerzeugung mit Wrmepumpen Anheben der Temperatur von Industrieabwrme auf nutzbares Niveau mit Hochtemperaturwrmepumpen, in notwendigerweise steigender Anzahl Khlen Lebensmittelverarbeitungsprozesse in Fabriken Khlen Lebensmittellagerhuser und -rume Khlen und Temperaturregeln in Prozessen der Pharmaindustrie Khllagerung von Lebensmitteln, Getrnken, Impfstoffen, pharmazeutischen Produkten Khlen von Grungsprozessen in der Wein- und Bierherstellung Khlen von Gerten, Theken, Lagerrumen in Verkaufslden, Restaurants, Kantinen, Cafs Khlen von Lastkraftwagen und Bahnwaggons fr verderbliche und gefrorene Lebensmittel und andere Waren Khlen von Transportcontainern fr Ferntransport von verderblichen, gefrorenen oder anderweitig temperaturempfindliche Waren Khlen von Beton mit Scherbeneis beim Gieen sehr groer Teile, wie z.B. Staudmme Khlen von Rechenzentren fr Firmen, Banken, Brsen, Internetdatenverkehr, Cloudservices, Telefonnetze Khlen von Prf- und Forschungslaboren fr stabile Bedingungen Khlen von Elektroniken, insbesondere beim Militr, von Lebensmitteln und Kabinen auf Schiffen Khlen von Elektroniken und Back-Up-Batterien in Mobilfunksendestationen Khlen von Hochleistungs-Ladestationen und Ladekabeln fr Elektrofahrzeuge Was machen die PFAS enthaltenden Polymere (Kunststoffe und Elastomere) in den Komponenten der Klteanlagen? Liefern ihre Leistung in Klteanlagen, die fr einen sicheren Betrieb von 15 Jahren, oder auch mal 30 Jahren, gedacht sind Liefern ihre Leistung unter Druck und stark vernderlichen Temperaturen, bis unter -50 C und bis ber 180 C, in Zukunft auch hher Dichten Kammern Gegen andere Kammern in der Komponente oder Gegen die umgebende Luft, ber lange Zeit mit gleichbleibenden Eigenschaften und stabiler Form  Fhren bewegte Teile wie Ventilspindeln, Bettigungsstifte in Expansionsventilen, Regelschiebern in Verdichterm, mit niedriger Reibung und niedrigem Verschlei Dichten bewegte Teile wie Antreibswellen von Verdichtern der "offenen" Bauart, Ventilspindeln mit niedriger Reibung und ohne Kleben Dichten Absperrventile und Sicherheits-Druckentlastungsventile mit zuverlssiger Dichtheit und ohne Verkleben, auch bei sehr seltener Aktivierung Liefern Notlaufeigenschaften in Gleitlagern und anderen Oberflchen mit Berhrung bei Bewegung Isolieren Leitungen elektrisch bei rauen Bedingungen, mit hohen Temperaturen und in einer Atmospre mit Lsemittel und l, besonders fr die sicherheitsrelevanten Temperatursensoren der Drehstrom-Elektromotoren Erfllen die Anforderungen bezglich Dichtung, Fhrung, Bewegung fr verschiedenste Kombinationen von Kltemitteln und len, dabei auch Gemischen aus mehreren Kltemitteln Was muss untersucht werden um alternative Kunststoffe oder Gestaltungen als zuverlssige Lsungen in den Anlagen und Komponenten zu qualifizieren und wie lange dauert das - und warum? nderungen der Materialeigenschaften knnen zu Fehlern oder verminderter Funktion fhren o Quellen, Schrumpfen, weicher oder hrter warden, Anstieg der Reibung, des Verschleies, langsame Vernderung der Eigenschaften .... Funktionen knnen sein o Form halten als Dichtung, elastisch dichtend bleiben, mit wenig Reibung bewegen, nicht kleben, stabil bleiben in l und Lsungsmittel (Kltemittel), Abriebfest sein, robust bleiben bei niedrigen und hohen Temperaturen Wie viel nderung der Eigenschaften im Vergleich zum PFAS knnte toleriert werden o Es gibt innerhalb der Firmen einige Erfahrung mit Materialien und Lieferanten, aber keine 100% sicheren Zahlen o Quellen und Schrumpfen wird meist auf 1 % oder 2 % begrenzt Die notwendige Zeit fr die Qualifikation von Alternativen fr alle PFASAnwendungen in Klteanlagen wird sicher ber 10 Jahren liegen, wobei die Langzeitstabilitt der Eigenschaften dann nur geschtzt sein kann o Es hat mehr als 50 Jahre gedauert die heutige Zuverlssigkeit zu erreichen und wesentliche Fortschritte wurden in den letzten 15 bis 20 Jahren gemacht o Vernderte Eigenschaften knnten Anwendungen begrenzen, wie Industriewrmepumpen fr hohe Temperaturen oder industrielle Wrmerckgewinnung Komponenten von Klteanlagen sind meist auf Basis von firmenspezifischen Zeitraffertests zur Zuverlssigkeit freigegeben und knnen nicht auf Basis von Berechnungen oder Simulationen oder Einzelbauteileprfungen freigegeben werden o sogar grundlegende Konstruktionsnderungen der Dichtungssysteme knnten bei einigen Komponenten notwendig werden um andere Materialien einsetzbar zu machen  Viele neue Entwicklungen werden fr einige Jahre mit Kunden im Feld erprobt bevor sie ganz freigegeben werden Was kann passieren, wenn eine Dichtung, ein Funktionsteil oder eine Beschichtung im Betrieb versagt oder verschleit? Eine nach auen wirkende Dichtung wird bei Versagen zu Kltemittelverlust fhren. ab etwa 10 % bis 20 % der Gesamtfllmenge wird der Verlust Einfluss auf die Klteleistung und die Effizienz haben, wodurch der Energieverbrauch und die Betriebskosten ansteigen Das Versagen einer inneren Dichtung wird zum Versagen von Funktionen und zur Verringerung der Effizienz fhren. Dichtungsversagen in Regelventilen oder Regelbauteilen von Verdichtern fhren zu Funktions- oder Regelabweichungen. Dadurch wird schlielich meistens die Klteleistung und die Effizienz reduziert und damit der Energieverbrauch und die Betriebskosten erhht Versagende Beschichtungen fhren zu Verschlei und lngerfristig, aber auch zum Teil sehr kurzfristig zum Ausfall von Komponenten, wie Verdichtern, zur reduzierter Leistung und Regelbarkeit Wie hoch knnte die Ausfallrate von Klteanlagen sein durch Ausfall von kleinen Dichtungen, Lagern, Fhrungsbuchsen aus nicht klebendem Kunststoff mit niedriger Reibung? Das lsst sich nicht genau abschtzen, den vor dem Einsatz von PFAS in einigen Teilen, wie Lagern oder Ventilstiftpackungen wurde, neben anderem, hufig bleihaltige Materialien eingesetzt, wo bestimmte Notlaufeigenschaften bentigt wurden. Blei kann inzwischen auch nicht mehr verwendet werden. Daher besteht das Risiko, dass die Ausfallraten hher werden als vor der Einfhrung von PFAS, also sind durchaus zweistellige Prozentzahlen bei den Ausfllen vorstellbar, grob geschtzt Wie knnte der Ausfall einer Anlage oder einer Komponente durch Redundanz kompensiert werden? In groen Anlagen zur Khlung oder Beheizung von groen Warenwerten werden vollstndige zustzliche Anlagen oder parallele Komponenten in den Anlagen zur Redundanz eingebaut, was Geld und Platz kostet Wie viel muss gemacht und in diese Redundanz investiert werden? Bei den vielen kleineren Klteanlagen und Wrmepumpen mit nur jeweils 1 Verdichter, Expansionsventil usw. kann die Teil-Redundanz durchaus 30 % bis 50 % extra kosten Wie viel werden Reparatur und Ersatz fr Ausflle kosten? Welchen Einfluss haben vernderte Betriebsbedingungen auf den Einsatz von Fluorpolymeren? Die Nachfrage nach hherer Effizienz hat zu niedrigeren Drcken auf der Hochdruckseite gefhrt, wodurch speziell angepasste hoch effiziente Verdichter entwickelt werden konnten. Diese hatten weniger Reserven bzgl Robustheit und brauchen deshalb z.B. mehr die Notlaufeigenschaften der Fluorpolymere. Besonders fr verbesserte Wrmerckgewinnung gestaltete Klteanlagen und Hochtemperaturwrmepumpen haben die Belastung der Verdichter erhht und brauchten Verbesserungen der Konstruktionen fr hhere Temperaturen und mechanische Belastungen. Das konnte z.T. durch den Einsatz von Fluorpolymeren in Dichtungen und Bauteilen mit weniger Reibung fr Lager, Beschichtungen und bewegten Dichtungen erreicht werden.