Wärmeträger – physikalische und chemische Zusammenhänge

Im Gemisch mit geeigneten Zusätzen lassen sich die positiven Eigenschaften des Wassers nutzen und trotzdem die Risiken zuverlässig ausschließen. Entscheidende Vorteile bieten hier die vier Produkte der „Antifrogen“-Markenfamilie (Antifrogen® ist ein Trademark der Clariant International Ltd): Sie kombinieren perfekten Frostschutz mit herausragenden Antikorrosionsmerkmalen. Denn im Gegensatz zu konventionellen Lösungen sind „Antifrogen“-Produkte mit sogenannten Korrosionsinhibitoren angereichert. Diese schirmen die metallischen Werkstoffe im Kälte- oder Wärmekreislauf gegen aggressive Einflüsse ab. Zugleich bleiben die je nach Anwendung erforderlichen Fließeigenschaften auch bei sehr niedrigen Temperaturen gewährleistet. Jedes Einsatzgebiet hat seine spezifischen Anforderungen. Um dem gerecht zu werden und so für jede Anwendung die ideale Lösung zu bieten, gibt es „Antifrogen“ gleich vierfach. Alle gebrauchsfertigen „Antifrogen“-Mischungen sind nicht brennbar, nur schwach wassergefährdend sowie biologisch leicht abbaubar.

Einige physikalische Zusammenhänge

„Antifrogen“ ist nicht einfach nur ein Glykol. Reine Glykole bilden in Verbindung mit Sauerstoff sehr aggressive Substanzen gegenüber Metallen. Deshalb werden dem Qualitätsprodukt „Antifrogen“ sogenannte Korrosionsschutzinhibitoren zugesetzt, welche auf der Grundlage langjähriger Erfahrungen und umfangreicher Tests entwickelt worden sind.

Außerdem besteht bei den hohen Drehzahlen der Pumpen die Gefahr der Bildung von Schaum, was zum Abreißen des Fördervolumenstromes führen kann. Dagegen werden dem „Antifrogen“ schaumhemmende Zusätze beigegeben.

Damit diese Substanzen ihrer Aufgabe gerecht werden können, müssen Mindestkonzentrationen eingehalten werden. Diese betragen bei „Antifrogen-N“-Wassermischungen 20 Vol.-% und bei „Antifrogen-L“-
Wassermischungen 25 Vol.-%.

Wird das nicht berücksichtigt, ist die langfristige korrosionshemmende Wirkung nicht mehr sichergestellt. Außerdem besteht die Gefahr der Bildung von Mikroorganismen im System, deren Abbauprodukte Säuren produzieren, welche Metalle angreifen und zu Verstopfungen an Filtern und schlechteren Wärmeübergangszahlen im System führen können.

„Antifrogen N“ und „Antifrogen L“ werden als Konzentrat geliefert und sind in dieser Form nicht anwendbar. Es wird empfohlen, die Einsatzbedingungen im Vorfeld zu prüfen und die notwendige Frostsicherheit festzulegen. Dabei dürfen die bereits angesprochenen Mindestkonzentrationen nicht unterschritten werden, auch wenn die benötigte Temperatur für den Frostschutz höher liegen sollte. Es wird davon abgeraten, an diesem Punkt übertrieben auf „Nummer sicher“ zu gehen. Diese Vorgehensweise hat nicht nur Auswirkungen auf den Produktpreis.

Ein Beispiel soll das verdeutlichen:

Es wird ein Frostschutz von -10 °C benötigt, aber man wählt doch „lieber“ -29 °C. Bei einer Medientemperatur von 0 °C wächst die kinematische Viskosität ν von 3,49 mm²/s auf 7,47 mm²/s. Die relativen Druckverluste im Vergleich zu Wasser (10 °C = 1) steigen von dem 1,311- auf den 1,723-fachen Wert. Diese Verluste muss die Pumpe mit einer größeren Förderhöhe h ausgleichen, was unter Umständen eine größere Pumpe bedeutet. Die Dichte ρ der Mischung steigt von 1,031 auf 1,069 kg/dm³. Die höhere Dichte macht sich bei der erforderlichen Motorantriebsleistung P bemerkbar – also höherer Energieverbrauch. Auch die spezifische Wärmekapazität (Wärmeaufnahmefähigkeit) fällt von 3,90 auf 3,39 kJ/kg*K.

Die Bedeutung dieser Zahlen soll ein kleines Rechenbeispiel verdeutlichen:

Es soll an einer Wärmepumpenanlage eine Wärmeleistung .Q von 56 kW abgefahren werden, bei einer Temperaturspreizung DT von 5 K. Der Druckverlust Dr in Rohrleitungen und Einbauteilen wurde auf 10 mWS errechnet. Bei 20 % „Antifrogen N“ in Wasser gemischt, ergibt sich Folgendes:

Benötigter Volumenstrom .V:↓

Die Pumpenleistung errechnet sich aus:

Die Anlage wird mit diesen Werten geplant und die Bauteile werden entsprechend bestellt. Nach erfolgter Installation wird allerdings aus „Sicherheitsgründen“ auf einen Frostschutz von -29 °C gesetzt und eine 44%-ige „Antifrogen-N“-Wasser-Mischung eingefüllt.

Bei gleichem Volumenstrom bekommt die Anlage eine Leistung von:

Durch die niedrigere spezifische Wärme­kapazität leistet die Anlage jetzt statt 56 kW nur noch 50,5 kW, was einer Minderung von knapp 10 % entspricht.

Die Druckabfälle in den Einbauteilen verändern sich überschlägig nach der Beziehung:

Selbst wenn die Pumpe diesen Druckabfall noch ausgleichen kann, erhöht sich die Antriebsleistung P auf:

Das entspricht einem Mehrverbrauch von über 11,5 %.

Umgekehrt hätte eine Pumpe, welche die benötigten 56 kW leistet, einen Volumenstrom von 11 m³/h und eine Antriebsleistung von 581 W gebraucht. Das entspricht einem energetischen Mehrverbrauch von 24 %. Dabei ist noch nicht darüber gesprochen worden, dass die schlechteren Wärmeübergangszahlen und die höhere Viskosität unter Umständen auch größere Wärmeübertrager beansprucht hätten.

Es muss also der Grundsatz gelten:

So viel wie nötig und so wenig wie möglich!

Chemische Zusammenhänge

Hauptbestandteil der „Antifrogen“-Produkte N, L und SOL^HT ist zu 90 bis 95 % Glykol. Bei „Antifrogen N“ ist es Monoethylenglykol, bei „Antifrogen L“ Propandiol, auch als Propylen­glykol bezeichnet, und beim „Antifrogen SOL^HT“ sind es höhersiedende Glykole. Damit allein ist „Antifrogen“ allerdings noch nicht das Qualitätsprodukt, was es tatsächlich ausmacht. Weitere Zusätze sind Entschäumer, Hartwasserstabilisatoren etc. und das Inhibitorenpaket. Letzteres sorgt vor allem dafür, dass die eingesetzten Glykole ihre Aggressivität gegenüber Metallen verlieren.

Die in dem Diagramm oben dargestellten Materialabtragungen werden in den Labors der Firma Clariant nach standardisierter Methode – dem sog. ASTM-D-1384-Test – untersucht. Das Diagramm zeigt, dass erst die chemischen Zusätze den qualitativ hohen technischen Anspruch, der an einen guten Wärmeträger gestellt wird, erfüllen. Selbst reines Leitungswasser besitzt eine deutlich erhöhte Aggressivität gegenüber bestimmten Metallen als „Antifrogen“. Bei einem billigen Ethylenglykol-/Wasser-Gemisch ist vor allem der vorrangig eingesetzte Pumpenwerkstoff Grauguss besonders gefährdet. Grundsätzlich kann davon ausgegangen werden, dass „Antifrogen“ mit allen in der Pumpen- und Anlagentechnik üblich eingesetzten Materialien gut verträglich ist.

Achtung: Verzinkte Rohrleitungen oder Aggregate sollten nicht verwendet werden. Dies hätte eine Qualitätsminderung zur Folge. Die meisten Kunststoffe und Dichtungsmaterialien sind mit den „Antifrogen“-Produkten verträglich. Nicht beständig sind Polyurethan-Elastomere, Weich-PVC sowie Phenol-Formaldehydharze.

Müssen spezielle Kunststoffe eingesetzt werden oder herrschen extreme Einsatzbedingungen vor, können vor Anwendung die Materialien auf Verträglichkeit mit „Antifrogen“ geprüft werden. Einen entsprechenden Service bietet die Fa. Clariant an.

Inbetriebnahme neuer Systeme

Vor Inbetriebnahme neuer Systeme muss der Bedarf an „Antifrogen“ ermittelt werden. Dafür sind zwei Angaben notwendig:

Festlegen der erforderlichen Frostsicherheit und somit des prozentualen Anteils des „Antifrogen“;

Ermitteln des Anlagenvolumens entweder durch Berechnung oder durch „Auslitern“.

Punkt 1 ist abhängig von den klimatischen Verhältnissen und den Aufstellungsbedingungen vor Ort sowie von den benötigten minimalen Temperaturen der Anwendung. Bei Punkt 2 hat man die Möglichkeit, die Einzelvolumina von Rohrleitungen, Aggregaten und Wärmeübertragern zu addieren, oder man füllt die Anlage mit Wasser und erfasst die dafür benötigte Menge.

Da die Bestellungen immer in Kilogramm angegeben werden müssen, wird die so ermittelte Literzahl in Kilogramm-Konzentrat oder Kilogramm-Gemisch umgerechnet. Bestellt man ein fertiges Gemisch, sollte man wissen, dass durch die nicht unerheblichen Wasseranteile der Transport teurer wird.

Ein Beispiel:

Der benötigte Frostschutz ist mit -20 °C vorgegeben, das Anlagenvolumen beträgt 5000 l und das Produkt soll „Antifrogen N“ sein. Aus Tabelle 1 geht hervor, dass bei -20 °C die Konzentration „Antifrogen N“ 34 Vol.-% (entspricht 36,81 Gew.-%) betragen muss und die Dichte des Gemisches bei 1,053 kg/l liegt. Man berechnet als erstes die Gesamtmasse des Gemisches

                                        kg

5000 Liter . 1,053  =             = 5265 kg

                                       Liter

und ermittelt dann den Anteil an „Antifrogen N“ über das Gewichtsprozent.

5265 kg x 0,3681 = 1938 kg

Neue Systeme sollten vor der ersten Verfüllung auf ihren ordnungsgemäßen Zustand geprüft werden. Bereits stark korrodierte Bauteile sollten nicht verwendet werden. Die Druckfestigkeits- und Dichtheitsprobe kann mit reinem Wasser oder bereits mit „Antifrogen“-/Wasser-Gemisch erfolgen.

Wird das „Antifrogen“ als Fertiggemisch geliefert, ist das System nach der Verfüllung sofort einsetzbar. Im Falle der Anlieferung als Konzentrat empfiehlt es sich, das Gemisch vor der Verfüllung herzustellen. Sollte dies nicht oder nur mit unverhältnismäßig hohem Aufwand möglich sein, können bei einer Anlage mit Umwälzpumpe etwa zwei Drittel der erforderlichen Wassermenge, anschließend das „Antifrogen“-Konzentrat und schließlich der Rest Wasser eingefüllt werden. Hierbei ist allerdings zu beachten, dass die Dauer der vollständigen Vermischung innerhalb des Kreislaufs von Strömungsgeschwindigkeit und Anlagenkonzept abhängig ist und unter Umständen mehrere Tage in Anspruch nehmen kann. Ein sofortiger Einsatz bei Temperaturen unter 0 °C darf dann nicht stattfinden.

Wird zur Verdünnung des „Antifrogen“-Produktes statt destilliertem Wasser Leitungswasser verwendet, sollten der Härtegrad zwischen 0 und 25° dH und der Chloridanteil nicht über 100 mg/kg (ppm) liegen.

Wartung bereits gefüllter Anlagen

Begriffe:

Kristallisationspunkt: der Punkt (Temperatur), an dem ein Stoff Kristalle bildet.

Stockpunkt: der Punkt (Temperatur), an dem ein zuvor flüssiger Stoff erstarrt. Die Umkehrung wäre der Pourpoint-Fließpunkt, an dem ein zuvor fester Stoff beginnt zu fließen.

Frostpunkt: in Bezug auf „Antifrogen“-Produkte häufig verwendet, allerdings ohne Bedeutung. Der Frostpunkt ist die Temperatur, bei der ein Stoff von gasförmig auf fest übergeht, z.B. das Ausfrieren von Feuchtigkeit in der Luft auf kalten Oberflächen. Dieser Vorgang ist mit „Antifrogen“ nicht möglich.

Im Diagramm oben wird deutlich, dass sich in einer 30-%igen „Antifrogen-N“-/Wassermischung bei dem Kristallisationspunkt von ca. -16 °C erste Eiskristalle bilden. Diese Flüssigkeitskristallmischung ist aber immer noch pumpfähig. Abhängig von der Beschaffenheit der Pumpe bleibt das theoretisch auch bis zum Stockpunkt bei -24 °C.

Die Dichte von reinem „Antifrogen“ ist größer als die Dichte von Wasser. Trotzdem braucht man auch bei längeren Standzeiten der Anlagen nicht zu befürchten, dass sich das leichtere Wasser auf dem schwereren „Antifrogen“ absetzt. Einmal homogen aufgearbeitete „Antifrogen“-/Wasser-Mischungen separieren sich nicht mehr.

Ist die Mischung auf eine bestimmte Frost­sicherheit eingestellt, wird sich oberhalb dieser Temperatur kein Eis mehr bilden. Fällt die Temperatur unter den Kristallisationspunkt, bildet sich ein sogenannter „Eisbrei“. Eine Sprengwirkung geht davon allerdings nicht aus. „Antifrogen“-/Wasser-Mischungen sind somit viele Jahre gebrauchsfähig.

Trotzdem sollte die „Antifrogen“-Konzentration regelmäßig geprüft werden. In welchen zeitlichen Abständen dies durchgeführt werden soll, ist von der jeweiligen Anlagenstruktur abhängig. Offene Systeme – also Systeme, bei denen atmosphärische Luft mit der Mischung in Kontakt treten kann – sollten in kürzeren Intervallen kontrolliert werden als geschlossene Systeme. Der Hersteller Clariant empfiehlt, die Kontrolle aber mindestens einmal pro Jahr durchzuführen. Die vorhandene Mischungskonzentration kann mit speziellen Dichteprüfern festgestellt werden.

Eine Testmethode ist die Dichtebestimmung mittels Aräometer. Dabei wird eine mit Bleikugeln beschwerte sogenannte Senkspindel in die Flüssigkeit „eingedreht“, um eine Haftung an der Glaskörperwand zu vermeiden. Über die auf der Skala abgelesene Dichte kann dann die Konzentration „Antifrogen“ in Wasser über Tabelle oder Diagramm ermittelt werden. Um die Genauigkeit von 0,001 g/cm³ der Dichtebestimmung zu sichern, ist es notwendig, die Flüssigkeit auf die Referenztemperatur (in der Regel 20 °C) zu bringen und den unteren „Miniskus“, d.h. den unteren Punkt der Flüssigkeit, abzulesen.

Sehr gut geeignet sind auch sogenannte Refraktometer. Bei diesen Geräten wird die unbekannte Brechzahl des Mediums durch die unterschiedliche Lichtablenkung gemessen. Es werden ein bis zwei Tropfen der zu messenden „Antifrogen“-/Wasser-Mischung auf die Prismenoberfläche gegeben und anschließend die Beleuchtungsplatte aufgedrückt.

Hält man das spitze Ende gegen das Licht, erkennt man eine deutliche Grenzlinie und kann den Messwert in Brix% ablesen. Der in dem Beispiel abgelesene Wert von 17 Brix% entspricht laut nebenstehender Tabelle einem Volumenanteil von 24 % „Antifrogen N“ in Wasser oder einem gesicherten Frostschutz von etwa -12 °C. Sollte bei der Prüfung der erforderlichen Frostsicherheit ein abweichendes Ergebnis festgestellt werden, kann man mithilfe des „Mischungskreuzes“ die notwendige Korrektur errechnen:

Beispiel:

Das Volumen eines Systems mit „Antifrogen-N“-Wassermischung soll 4000 l betragen. Die geforderte Frostsicherheit liegt bei -25 °C. Nach einer routinemäßigen Kontrolle hat man allerdings eine Frostsicherheit von nur -17 °C festgestellt. Wie kann man die erforderliche Frostsicherheit wieder herstellen, ohne die gesamte Füllung austauschen zu müssen?

1. Schritt:

Die gemessene Frostsicherheit wird aus der „Antifrogen-N“-Frostschutzkurve der dazugehörigen Volumenkonzentration in Volumen-% zugeordnet; bei -17 °C ergibt das 32 %. Dieser Wert wird dem Punkt A des Mischungskreuzes zugeordnet:

2. Schritt:

A = 32 %⇥x = 60 Volumen-Teile ≈ 88,24 %

             M = 40 %

B = 100 % ⇥y = 8 Volumen-Teile ≈ 11,76 %

60 + 8 = 68 Volumen-Teile entspricht 100 %

3. Schritt:

Da die Mischung unterkonzentriert ist, wird Konzentrat, also 100 % „Antifrogen N“, als Wert für den Punkt B gewählt. Sollte eine Überkonzentration bestehen, muss Wasser nachgefüllt werden. Dann wird an Punkt B 0 % geschrieben.

4. Schritt:

Die gewünschte Konzentration wird in der Mitte Punkt M zugeordnet. Bei -25 °C sind die 40 % aus der Frostschutzkurve abzulesen.

5. Schritt:

Die Differenzen aus M – A und B – M ergeben x Volumenanteile der Lösung A und y Volumenanteile der Lösung B.

Es sind demnach acht Volumenanteile (entsprechend 11,76 %) Konzentrat erforderlich, die natürlich dem System vorher an Unterkonzentration entnommen werden müssen (11,76 % von 4000 l sind 470,4 l). 470,4 l werden der Anlage entnommen und durch die gleiche Menge Konzentrat „Antifrogen N“ ersetzt.

Die Westfalen AG (www.westfalen-ag.de) unterstützt Sie bei der konkreten Auswahl und stellt Ihnen detaillierte Unterlagen zur Umstellung bereit.