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Anforderungen an ein effizientes Frostschutz- und Thermotransfermittel

Donauchem
Frostschutz- und Thermotransfermittel finden als Kühlsole und Wärmeträgerflüssigkeit in Industrieanlagen, Heizungsanlagen, Wärmepumpen, Kühlanlagen und Solaranlagen Verwendung. Die Wahl der richtigen Flüssigkeit ist für einen langjährigen, reibungslosen und wartungsarmen Betrieb von enormer Bedeutung. Im Folgenden geben wir einen Überblick zu Anforderungen, Zusammensetzung und Technologie eines modernen Wärmetransfermediums.
 

Welche Aufgaben muss ein Frostschutz- und Thermotransfermittel erfüllen?

Die Wärmeträgerflüssigkeit transportiert in einem Heiz- oder Kühlkreislauf Wärme von einem Ort höherer Temperatur zu einem Ort niedrigerer Temperatur und umgekehrt. Die Anforderungen an das Wärmetransfermedium bestehen aber nicht nur darin, dass die Flüssigkeit nicht einfriert oder überhitzt. Darüber hinaus muss ein effizientes Thermotransfermittel eine ganze Reihe weiterer Eigenschaften erfüllen.
 

1. Frostschutz

Unter Frostschutz versteht man grundsätzlich den Mittelwert der Temperaturen zwischen der sogenannten Eisflockenbildung und dem Stockpunkt (Erstarrungstemperatur) der Flüssigkeit, dazwischen ist Eisbrei (keine Sprengkraft). Wasserbefüllte Anlagen müssen vor Frost geschützt werden, um die volumetrische Ausdehnung bei der Bildung von Eiskristallen zu vermeiden. Andernfalls besteht ein hohes Risiko der Zerstörung von Schläuchen, Rohren, Pumpen, Maschinenteilen und Behältern. Durch Zusatz von Gefrierschutzmitteln zum Wasser wird der Gefrierpunkt von Wasser deutlich herabgesetzt und das Gefrieren der Flüssigkeit bei Minustemperaturen verhindert.
 

2. Siedeschutz

Siedeschutz bedeutet die Vermeidung von Überhitzung und Dampfblasenbildung. Hohe Temperaturen und Druckunterschiede bieten ideale Bedingungen für Korrosion und Kavitation (Hohlraumbildung in flüssigen Medien). Der Druckanstieg z.B. in Wärmetauschern, Heißwassersystemen oder Solaranlagen verursacht Dampfblasen, deren Implosion Bauteile des flüssigkeitsführenden Systems beschädigen. Dieser Effekt lässt sich durch Zusätze vermeiden, die den Siedepunkt erhöhen bzw. den Dampfdruck senken.
 

3. Transfer von Wärme/Kälte

Zum Transport von Wärme bzw. Kälte sind zahlreiche Trägermedien bekannt, die in einem weiten Temperaturbereich arbeiten können. Wasser ist mit einer spezifischen Wärmekapazität von 4,2 kJ/(kg x K) der effektivste, billigste und am meisten verbreitete Wärme- bzw. Kälteträger. Es hat jedoch neben vielen Vorteilen die unangenehme Eigenschaft, bei Temperaturen unter 0 °C einzufrieren und dabei eine enorme Sprengwirkung zu entwickeln. In Verbindung mit Sauerstoff und anderen Luftbestandteilen wirkt es zudem korrosiv. Durch Zugabe geeigneter Zusätze lassen sich diese Probleme lösen.
 

4. Korrosionsschutz

Ein wichtiges Merkmal für die Praxistauglichkeit eines Wärmetransfermittels ist auch dessen Verträglichkeit mit den verwendeten Werkstoffen. Frostschutz- und Thermotransfermittel müssen eine Kombination von Korrosionsinhibitoren enthalten, um Werkstoffkompatibilität bei hohen und niedrigen Temperaturen sicherzustellen. Fehlt dieser Korrosionsschutz, besteht die Gefahr weitreichender und teurer Anlagenschäden:
 
  • Lochfraß an Pumpen, Wärmetauschern, Metallverbindungen
  • Korrosion an verschiedenen Metallen und Legierungen
  • Korrosion an beweglichen Teilen (z.B. Pumpenlaufrad) à Überhitzung
  • Unverträglichkeit mit Dichtungsmaterial verursacht Leckagen
  • Leckagen und Risse an diversen Schlauchmaterialien
 

5. Ökologische und toxikologische Unbedenklichkeit

Die Nachhaltigkeit von Wärmeträgermedien gewinnt immer mehr an Bedeutung. Strengere Gesetze und die öffentliche Meinung verlangen eine hohe Umwelt- und Gesundheitsfreundlichkeit, wobei insbesondere toxisch wirkende Additive im Fokus stehen. Moderne Additivtechnologien, die silikatfrei auf Basis organischer Säuren arbeiten, erfüllen diese Kriterien und stellen den aktuellen Stand der Technik dar.
 

Die optimale Zusammensetzung und Technologie

Wasser bildet als hervorragender Wärme- und Kälteträger den Hauptbestandteil eines Wärmetransfermittels. Durch Zugabe geeigneter gefrierpunktsenkender Substanzen und Korrosionsschutzmittel kann den Nachteilen von Wasser (Korrosion, Gefrieren) entgegengewirkt werden.
 

1. Glykole als Basisflüssigkeiten: Frostschutz und Siedeschutz

Glykole sind die gängigsten Frostschutz- bzw. Siedeschutzmittel, da Glykolmoleküle die Verbindung zwischen den einzelnen Wassermolekülen beim Gefrieren beeinflussen. Als Basisflüssigkeit bedient man sich in der Regel kurzkettiger mehrwertiger Alkohole. Die wichtigsten Vertreter sind Monoethylenglykol (MEG) und Monopropylenglykol (MPG). Beide sind bei ähnlichen Gefrierpunkten schwerflüchtig und erhöhen so die Siedepunkte ihrer wässrigen Lösungen. Die Frostsicherheit ist dabei abhängig vom Mischungsverhältnis.
Im Bereich von Lebensmittel- und Pharmaanwendungen wird hauptsächlich Monopropylenglykol (MPG) eingesetzt, da es toxikologisch und physiologisch weitgehend unbedenklich ist. MPG weist jedoch gegenüber MEG Nachteile bei thermodynamischen Eigenschaften auf. So muss für die gleiche Frostsicherheit mehr MPG eingesetzt werden als MEG, was zu einem Nachteil hinsichtlich der Viskosität und der Wärmeleitfähigkeit führt. Als Standard hat sich daher MEG durchgesetzt, welches auch preislich attraktiver ist.
 

2. Wasser: Thermotransfer und Erhöhung des Gefrierpunkts

Unverdünntes Glykol bietet nur unzureichenden Frostschutz, da dessen Gefrierpunkt nur bei etwa -13 °C liegt. Durch Zugabe von Wasser sinkt der Gefrierpunkt stark ab, sodass die Frostsicherheit mit Hilfe einer Glykol-Wasser Mischung deutlich erhöht werden kann. Außerdem vermindert die reine Basisflüssigkeit den Wärmetransfer, da die spezifische Wärmekapazität des Glykols nur etwa halb so groß ist wie die des Wassers.

 

 Charakteristika

 MEG

 MPG

 Wasser

 Siedepunkt (°C)  197  187  100
 Spez. Wärmeleitfähigkeit (cal/g.°C)  0,574  0,600  0,998
 Viskosität bei 20°C (cp)  21  61  1
 Gefrierpunkt (°C)      
  • pur
 -13  (-60)  0
  • 50% wässrige Lösung
 -37  -33  NN
 Preis  +++  ++++  +
 


3. Additive im Inhibitorsystem: Korrosionsschutz 

Die reinen nicht inhibierten Glykole werden in Mischung mit Wasser stark korrosiv. Ursache dafür sind vor allem die Konzentration an gelöstem Sauerstoff, der pH-Wert sowie der Gehalt an Fremdionen (Härtebildner, Chloride usw.). Geeignete Schutzstoffe (Inhibitoren) wirken diesem Effekt entgegen und verbessern das Korrosionsverhalten deutlich. Da durch die Verdünnung mit Wasser auch die Konzentration dieser Inhibitoren absinkt, darf die vom Hersteller angegebene Mindesteinsatz-Konzentrationen nicht unterschritten werden.

 

 Additiv

 Funktion

 Korrosionsinhibitoren  Verschiedene Technologien
 Stabilisatoren  Verhindern, dass die Inhibitoren ausfallen
 Dispergier/Sequestriermittel  Verhindern Kalkablagerungen
 pH-Puffer  Hält den pH-Wert im gewünschten Bereich
 Entschäumer  Verhindert Schaumbildung
 Leitsubstanz  Identifikation
 Farbe  Kundenwunsch
 

 

Welche Additivtechnologien gibt es?

Die Leistung des Frostschutz- und Thermotransfermittel ist abhängig von Inhibitorensystem, welches auf verschiedenen Technologien basieren kann:
  • IAT (inorganic additive technology): Die IAT stellt die älteste Additiv-Technologie dar. Der Korrosionsschutz basiert hier auf mineralischen Inhibitoren, die einen schützenden Oberflächenfilm bilden. Insbesondere anorganischen Silikatsäuren werden in diesem Bereich eingesetzt. Die IAT-Technologie gilt als überholt und findet daher in modernen Anlagen keine Anwendung mehr.
  • OAT (organic additive technology): Ein modernes Inhibitorsystem beruht auf der OAT Technologie, auch „Carboxylate-System“ genannt. Anstatt mineralischer Inhibitoren (Silikate) sorgen hier organische Säuren, wie z.B. Caboxylat, für den Schutz vor Korrosion.
  • HOAT (hybrid organic additive technology): Das HOAT-System ist ein Mischsystem, welches beide Technologien verbindet. Der Korrosionsschutz wird hier mit Silikaten erreicht, während alle weiteren Additive auf organischer Basis beruhen.

Die Donauchem setzt ausschließlich die umweltfreundliche und dem Stand der Technik entsprechende OAT-Technologie für die Produktion ihrer Frostschutz- und Thermotransfermittel ein.
 

Was ist der entscheidende Unterschied zwischen der IAT und OAT Technologie?

 
Sowohl anorganische als auch organische Inhibitorsysteme bilden eine Schutzschicht zwischen den Oberflächen und der Flüssigkeit. OAT-Systeme bieten aber zwei wesentliche Vorteile:

 
1. Längere Standzeit und geringerer Verbrauch

 Das Problem von anorganischen IAT-Systemen besteht darin, dass die Additive zur Schutzschichtbildung schnell abbauen und einen regelmäßigen Austausch erforderlich machen. Durch die Verwendung organischer Säuren konnten diese Probleme gelöst werden: Die OAT-Technologie ermöglicht niedrigere Dosierungen, eine längere Lebensdauer des Frostschutz- und Thermotransfermittels sowie längere Wartungsintervalle bzw. eine längere Standzeit des Systems.
 

2. Höherer Wärmeaustausch

IAT-Systeme bilden eine dicke Schutzschicht über die gesamte Oberfläche im System und verursachen dadurch einen verringerten Wärmeaustausch. Im Gegensatz dazu bilden OAT-Systeme nur eine dünne, monomolekulare Schicht an der Oberfläche – und zwar ausschließlich an jenen Stellen, wo das Korrosionsrisiko startet und tatsächlich eine Schutzschicht gebraucht wird.
 

Worauf ist beim Befüllen von Anlagen zu achten?

Häufige Fehler sind die Verwendung des falschen Produkts, der falschen Konzentration oder die Mischung von Produkten mit unterschiedlichen Basisflüssigkeiten. MEG und MPG dürfen nicht vermischt werden, da nach der Vermengung keine fundierten Rückschlüsse auf Frostschutz bzw. Siedeschutz möglich sind. Weiters kann es aufgrund unterschiedlicher Additive (z.B. Korrosionsinhibitoren) zu ungünstigen chemischen Reaktionen kommen, die sich nachteilig auf Frostschutz, Betriebsfähigkeit und Wirkungsgrad auswirken.
 

Warum setzen sich immer mehr „Ready-to-use“-Produkte durch?

Der Vorteil von Konzentraten liegt ausschließlich im logistischen Bereich durch Einsparung von Fracht- und Lagerkosten. Nachteilig wirkt sich der hohe Aufwand und vor allem das höhere Risiko beim Abmischen der Flüssigkeit aus. Denn ein falsches Mischungsverhältnis kann unangenehme Folgen haben:
  • Zu hohe Konzentrationen verschlechtern die Wärmeleitung, die Viskosität steigt und die Wärmekapazität der Flüssigkeit sinkt.
  • Zu geringe Konzentrationen hingegen verringern den Frost- und Korrosionsschutz.
Mit Ready-to-use-Produkten können diese Risiken vermieden werden – es steht immer die richtige Mischung zur Verfügung und man spart sich das Abmischen vorort.

Die Donauchem produziert verschiedenste Frostschutz- und Thermotransfermittel auf Basis von Ethylenglycol und Propylenglycol, auch Hochtemperaturversionen. Die Produkte sind als Konzentrat, in unterschiedlichen Verdünnungen oder als fertige und auf den Kunden abgestimmte Anwendung erhältlich. Zudem haben wir auch inhibiertes Wasser in unserem Portfolio und bieten Wiederverkäufern Produkte in Private Label. Sämtliche Produkte sind frei von Aminen, Borat, Molybdat, Nitrat, Nitrit, Phosphat und Silikat.
 


Fazit: Frostschutz- und Thermotransfermittel

Die wichtigsten technischen Merkmale eines effizienten Wärmetransfermittels sind Gefrierschutz, thermische Stabilität sowie physikalische Eigenschaften, die zu guten Wärmetransfer-Eigenschaften führen und ein Minimum an Korrosion verursachen. Um den reibungslosen Anlagenbetrieb zu gewährleisten und Beschädigungen vorzubeugen, muss auf die richtige Konzentration und Zusammensetzung geachtet werden. Mit Ready-to-use-Produkten, die auf den Anwender perfekt abgestimmt werden können, lässt sich das Risiko einer falschen Vermischung und Anwendung weitgehend vermeiden.
Donauchem GmbH
www.donauchem.at
Donauchem

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