Wärmeträgermedien – wer, wie, was, wieso, weshalb, warum?

Welches sind die Unterschiede zwischen Kältemittel, Kühlsole, Kälteträger und Wärmeträger?

Dr. Bergemann: Das Kältemittel ist das Produkt, das durch den Phasenübergang von flüssig zu gasförmig der Umgebung Wärmeenergie entzieht und sich dadurch abkühlt. Es erzeugt somit Kälte. Natürliche Kältemittel sind z.B. Ammoniak, Kohlendioxid, Wasser und Kohlenwasserstoffe, sprich: Diese Substanzen kommen in der Natur vor. Im Gegensatz dazu sind z. B. Fluorkohlenwasserstoffe künstlich hergestellte Kältemittel.

Kühlsole ist ein anderer, etwas veralteter Begriff für Kälteträger. Traditionelle Sole ist eine wässrige Natriumchloridlösung. Somit sind Kühlsolen im klassischen Sinne wässrige Salzlösungen. Aufgrund ihrer Fähigkeit weit unter den Gefrierpunkt des Wassers abgekühlt werden zu können, verwendet man sie zur Kühlung von Anlagen.

Kälteträger und Wärmeträger sind rein physikalisch betrachtet Wärmeenergieträger und bezeichnen das Gleiche. Abhängig von ihrer Anwendung, ob kalte oder warme Temperaturen im Fokus stehen, spricht man entweder von einem Kälte- oder einem Wärmeträger. Sie dienen dazu, Kälte bzw. Wärme zu transportieren und nicht, diese zu erzeugen.

Welches sind die häufigsten Fehler beim Befüllen von Anlagen mit Kälte- bzw. Wärmeträgerflüssigkeiten?

Dr. Bergemann: Typische Fehler, die beim Befüllen gemacht werden, sind die Verwendung des falschen Produktes, der falschen Konzentration und die Mischung unterschiedlicher Produkte.

Welche Medien dürfen nicht miteinander gemischt werden?

Dr. Bergemann: Medien mit unterschiedlichen Basisflüssigkeiten, z. B. Ethylenglykol und Propylenglykol, dürfen nicht miteinander gemischt werden. Die Gründe sind weder physikalischer noch chemischer Natur, sondern vielmehr besteht dadurch keine Möglichkeit mehr, auf einfachem Wege Rückschlüsse auf Frostschutz bzw. Abkühlungsgrenzen zu ziehen. Auch verschiedene Korrosionsinhibitoren oder -stabilisatoren, die nicht miteinander korrespondieren, dürfen nicht gemischt werden, da dies zu Korrosion führen kann. Unterschiedliche Korrosionsinhibitoren können sich in ihrer Wirkung nicht ergänzen, da sie auf verschiedenen Technologien beruhen.

Wann verwendet man Konzentrat, wann eine Fertigmischung?

Dr. Bergemann: Konzentrate werden grundsätzlich nicht angewendet. Sie werden ausschließlich aus logistischen Gründen bestellt, sprich: Die Kunden sparen Fracht- und Lagerkosten. Sie haben dann aber auch einen höheren Aufwand und tragen die Verantwortung für die Herstellung der richtigen Konzentration. Für wen das keine Option ist, der ordert Fertigmischungen.

Können Konzentrate mit normalem Trinkwasser, oder müssen sie mit demineralisiertem Wasser gemischt werden?

Dr. Bergemann: Fast alle Tyfo-Konzentrate können mit sauberem Trinkwasser gemischt werden, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind:

der Gehalt an Chlorid-Ionen darf 100 ppm nicht überschreiten,

der Härtegrad des Wassers darf 40 Grad deutscher Härte (°dH) nicht überschreiten.

Diese Bedingungen sind bei deutschem Trinkwasser in der Regel erfüllt. Die in den Tyfo-Konzentraten enthaltenen Hartwasserstabilisatoren sind in der Lage, genau bis zu diesen Werten Härtebildner zu komplexieren und somit die Bildung von Kesselstein zu verhindern.

Lediglich „Tyfocor LS“ darf, da es aufgrund seiner besonderen Zusammensetzung keine Hartwasserstabilisatoren enthält, nicht mit anderen Wärmeträgern vermischt oder mit Trinkwasser verdünnt werden.

Wozu dienen die unterschiedlichen Einfärbungen der Produkte?

Dr. Bergemann: Die Farbe ist ein Kennzeichnungsmerkmal. Sie dient dem Anwender als Unterscheidungsmerkmal, um Produkte unterschiedlicher Farben nicht zu mischen.

Was passiert, wenn man das vorgeschriebene Mischungsverhältnis von Wasser zum Konzentrat nicht einhält?

Dr. Bergemann: Überschreitet man die empfohlene Konzentration, führt das zum Rückgang des Frostpunktes, die Wärmeleitung verschlechtert sich, die Viskosität steigt und die Wärmekapazität der Flüssigkeit sinkt.

Wird die Mindestkonzentration unterschritten, schlägt sich das in zu niedrigem Frost- und Korrosionsschutz nieder. Außerdem besteht die Möglichkeit des Befalls mit Bakterien.

Wodurch entstehen Bakterien im System?

Dr. Bergemann: Bakterien entstehen in einer nahrhaften, warmen und nicht-toxischen Umgebung. Diese Bedingungen sind bei einem Anteil von weniger als 20 % Konzentrat in der Flüssigkeit gegeben. Glykole an sich dienen in geringer Konzentration (also unter 20 %) als Nahrung für Bakterien.

Wo ist der Unterschied zwischen Eisflockenpunkt und Stockpunkt?

Dr. Bergemann: Der Eisflockenpunkt ist die Temperatur, bei der sich beim Abkühlen einer Flüssigkeit erste Eiskristalle zu bilden beginnen.

Als Stockpunkt bezeichnet man die Temperatur, bei der keine Bewegung der Flüssigkeit mehr zu erkennen ist – diese also gerade aufgehört hat zu fließen.

Wie berechnet man den Kälteschutz?

Dr. Bergemann: Der Kälteschutz ist das arithmetische Mittel aus Eisflockenpunkt und Stockpunkt. Die beim Kälteschutz angegebene Temperatur beschreibt den Zustand, bei dem die Flüssigkeit noch die Konsistenz eines pumpbaren Eisbreies hat. Die Flüssigkeit befindet sich dann an der tiefstmöglichen Temperatur, an der die Anlage noch einwandfrei arbeitet.

Wie tief kann man wasserbasierte Kälteträger abkühlen?

Dr. Bergemann: Mit wässrigen Kälteträgern lassen sich Anlagen auf maximal -55 °C abkühlen. Wenn technisch tiefere Temperaturen benötigt werden, muss man die Welt der Wassermischungen verlassen und z.B. mit flüssigen Kohlenwasserstoffen arbeiten.

Woran erkennt man minderwertige Kälte-/Wärmeträger?

Dr. Bergemann: Minderwertige Kälte-/Wärmeträger sind an zu niedrigen Konzentrationen von Korrosionsinhibitoren oder -stabilisatoren zu erkennen. Schlechte Produkte sind nahezu nicht inhibiert. Im Labor lassen sich diese Mängel leicht identifizieren.

Was sind Korrosionsinhibitoren?

Dr. Bergemann: Korrosionsinhibitoren sind Additive, die die Korrosion von Materialien verhindern oder verlangsamen. Sie sind in geringer Konzentration in Wärmeträgerflüssigkeiten enthalten und sorgen dafür, dass Materialien wie Metalle und polymere Werkstoffe nicht der Korrosion oder Alterung unterliegen – Metalle bleiben blank, Kunststoffe werden nicht porös oder rissig. Entsprechend den zu schützenden Metallen und Werkstoffen müssen spezifische Pakete an Korrosionsinhibitoren eingesetzt werden.

Was sind Pufferstoffe?

Dr. Bergemann: Korrosionsinhibitoren wirken in der Regel im leicht alkalischen Bereich (ca. pH 8) am besten. Der thermische Abbau von Wärmeträgermedien ist oft dadurch gekennzeichnet, dass saure Komponenten entstehen. Und diese sauren Komponenten würden bewirken, dass sich der pH-Wert ins Neutrale oder leicht Saure verschiebt.

Dies würde wiederum die Wirksamkeit der Korrosionsinhibitoren drastisch reduzieren. Deswegen werden den Wärmeträgermedien Pufferstoffe zugesetzt. Sie sind in der Lage, eine gewisse Menge an sauren Komponenten aufzunehmen, ohne dass sich der pH-Wert merklich ändert.

Was ist eine Alkalireserve?

Dr. Bergemann: Die Alkalireserve ist ein Wert, der die Aufnahmefähigkeit von sauren Komponenten beschreibt. Zur Messung der Alkalireserve wird dem Medium bis zu einem definierten pH-Wert Salzsäure hinzugesetzt. Je mehr Säure es verträgt, desto besser, da dies ein Indiz dafür ist, wie viel Säure die Flüssigkeit selbst regulieren kann. Eine hohe Alkalireserve spricht für eine gute Inhibierung und einen qualitativ hochwertigen Wärmeträger. Minderwertige Produkte verfügen oft nur über eine Alkalireserve von weniger als 0,5 ml Salzsäure. Bei den meisten Tyfocor-Produkten liegt der Wert weit über 10 ml.

Was ist eine Unterinhibierung?

Dr. Bergemann: Bei einer Unterinhibierung enthält die Wärmeträgerflüssigkeit zu wenig Korrosionsinhibitoren. Das Verhältnis der Konzentration an Korrosionsinhibitoren zum Korrosionsschutz verläuft nicht linear. Eine zu geringe Menge an Inhibitoren bewirkt eine Reduktion des Korrosionsschutzes. Aber auch eine zu große Menge kann zu einer höheren Korrosivität führen. Ein Medium mit einer sehr kleinen Menge an zugesetzten Korrosionsinhibitoren kann einen geringeren Korrosionsschutz aufweisen als ohne Inhibitoren.

Was ist bei Produktionsanlagen in der Lebensmittelindustrie hinsichtlich des eingesetzten Kälteträgers zu beachten?

Dr. Bergemann: Kälteträger in der Lebensmittelindustrie dürfen keine giftigen oder gesundheitsbedenklichen Komponenten enthalten. Im Falle einer Leckage darf es nicht zu einer Kontamination durch toxische Komponenten kommen. Auch unentdeckte Leckagen dürfen nie zur Kontamination von Lebensmitteln und den Konsumenten führen.

Wann muss eine Kälte- bzw. Wärmeträgerflüssigkeit ausgetauscht werden?

Dr. Bergemann: Die Wärmeträgerflüssigkeit sollte ausgetauscht werden, wenn ihr pH-Wert niedriger als 7 ist. Das ist ein Indiz dafür, dass die Reservealkalität aufgebraucht ist und die Korrosionsinhibitoren abgebaut sind. Sollte sich der Frostpunkt verschoben haben oder die Flüssigkeit visuelle Schäden aufweisen, z. B. Verfärbungen oder Eintrübungen, sollte sie ebenfalls gewechselt werden.

Wie wird der Frostschutzgehalt eines Kälte- oder Wärmeträgermediums außerhalb des Labors ermittelt?

Dr. Bergemann: Für den Anwender gibt es zwei Möglichkeiten, den Frostschutzgehalt eines bekannten Wärmeträgermediums zu ermitteln:

1.) Per Messung des Brechungsindex mit Hilfe eines Refraktometers. Tyforop bietet Refraktometer mit eigens auf die Tyfo-Produktpalette abgestimmten Skalen an.

2.) Per Dichtemessung zur Ermittlung der Dichte-Frostpunkt-Korrelation. Die Dichte bildet einen Bezug zum Gehalt der Frostschutz-Komponente.

Was bedeutet der Brechungsindex?

Dr. Bergemann: Der Brechungsindex, auch die Brechzahl oder optische Dichte, ist eine optische Materialeigenschaft. Diese dimensionslose physikalische Größe gibt an, um welchen Faktor die Wellenlänge und die Phasengeschwindigkeit des Lichts kleiner sind als im Vakuum. Der Brechungsindex ist wellenlängenabhängig und deshalb auf die Wellenlänge der sogenannten Natrium-D-Linie (589 nm) normiert.

Warum muss der pH-Wert eines Mediums regelmäßig überprüft werden?

Dr. Bergemann: Der pH-Wert ist eine gute Messgröße, um sich ein umfassendes Bild über den Zustand eines Wärmeträgermediums machen zu können. Der thermische Abbau von Wärmeträgermedien ist oft dadurch gekennzeichnet, dass saure Komponenten entstehen. Diese sauren Komponenten bewirken, dass sich der pH-Wert ins Neutrale oder leicht Saure verschiebt. Das reduziert die Wirksamkeit der Korrosionsinhibitoren drastisch. Die Wärmeträgerflüssigkeit muss ausgetauscht werden, wenn der pH-Wert niedriger als 7 ist.

Was ist bei der Verwendung von Zink in Anlagen zu beachten?

Dr. Bergemann: Zink wird beim Kontakt mit Glykolen abgelöst. Bauteile mit einem hohen Anteil an verzinkten Stahlrohren sind somit für Kälte- und Wärmeanlagen ungeeignet.

Wie lange können Kälte-/Wärmeträgerflüssigkeiten gelagert werden?

Dr. Bergemann: Wärmeträgerflüssigkeiten halten sich original verschlossen, trocken und dunkel gelagert mindestens drei Jahre.

Welche kostenlosen Services bietet Tyfo seinen Kunden an?

Dr. Bergemann: Tyforop bieten seinen Kunden im Rahmen der Fluidanalytik kostenlose Untersuchungen von Wärmeträgerflüssigkeiten an:

1.) Überprüfung des Zustands einer Bestandsflüssigkeit. Hierbei bewerten wir, inwieweit die Flüssigkeit noch die Anforderungen an Frostschutz, Korrosionsschutz und Langzeitstabilität erfüllt und ob ein Austausch empfohlen wird.

2.) Analyse der Betriebssicherheit von Anlagen und Prüfung, ob und in welcher Art Korrosion stattgefunden hat. Für Altanlagen mit unbekannten Wärmeträgermedien ermitteln wir deren Zusammensetzung und schlagen eine technisch sinnvolle Alternative für die Neubefüllung vor. Sollten Havarien oder Störfälle an Anlagen auftreten, können wir mithilfe der Fluidanalytik dazu beitragen, die Ursache zu ermitteln. Für diese Untersuchungen benötigen wir üblicherweise eine 500-ml-Probe und liefern die Ergebnisse je nach Aufwand innerhalb von zehn Werktagen.