Wärmeträger

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Als Wärmeträger bezeichnet man ein Medium, welches (in einem Kühl- bzw. Heizkreislauf) Wärme entlang eines Temperaturgradienten, d.h. vom einem Ort höherer Temperatur zu einem Ort niedrigerer Temperatur transportiert. Wärmeträger werden je nach Anwendungszweck und Temperaturbereich auch als Heizmittel (Heizmedium), als Kälteträger oder als Kühlmittel bezeichnet.

Im Gegensatz dazu kann ein Kältemittel in einem Kältekreislauf Wärme entgegen des Temperaturgradienten, d. h. von einem Ort niedrigerer Temperatur zu einem Ort höherer Temperatur transportieren. Auf diese Weise können Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur und somit „Kälte“ erzeugt werden. Für Zieltemperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur ist daher immer die Kombination eines Kühlkreislaufes mit einem Kältekreislauf erforderlich.

Um die Transportverluste zu minimieren, werden möglichst kurze und gut isolierte Rohrleitungsführungen angestrebt.

Inhaltsverzeichnis 1 Eigenschaften 2 Üblicherweise verwendete Wärmeträger 2.1 Wasser 2.2 Luft 2.3 Thermalöle 3 Kälteträger 3.1 Alkohol-Wasser-Lösungen 3.2 Salz-Wasser-Lösungen

[Bearbeiten] Eigenschaften

Wärmeträger sollten idealerweise folgende Eigenschaften besitzen:

• hohe spezifische Wärmekapazität bzw. große spezifische Schmelzenthalpie
• großer Wärmeübergangskoeffizient
• hohe Wärmeleitfähigkeit
• ausreichend niedriger Gefrierpunkt / Erstarrungspunkt
• ausreichend hoher Siedepunkt / Zerfallspunkt
• niedrige Viskosität
• nicht brennbar oder explosiv
• nicht giftig

[Bearbeiten] Üblicherweise verwendete Wärmeträger

• Wasser
• Luft
• Thermalöle

[Bearbeiten] Wasser

Wasser ist aufgrund seiner sehr hohen spezifischen Wärmekapazität von ca. 4,2 kJ/kg K bzw. seiner hohen spezifischen Verdampfungsenthalpien von ca. 2000 kJ/kg und seiner Schmelzenthalpie von 333 kJ/kg ein sehr guter Wärme- bzw. Kälteträger. Wasser wirkt in Verbindung mit Ionen oder Sauerstoff korrosiv. Es sollte allerdings auch kein vollentsalztes Wasser verwendet werden, da es zum einen keine Schutzschicht ablagern kann, zum anderen Änderungen des pH-Wertes nicht abpuffert und daher in besonderem Maße korrosiv wirkt und auch Dichtungsmaterial angreift.

Wasser wird nicht nur im flüssigen, sondern auch im gas- bzw. dampfförmigen Zustand als Wärmeträger und im teilweise festen bzw. eisförmigen Zustand als Kälteträger verwendet.

Die Verwendung als Dampf bietet den Vorteil, den Transport in Fernwärmeleitungen in Form überhitzten Hochdruckdampfes mit relativ geringen Energieverlusten vornehmen zu können. Am Zielort wird der überhitzte Dampf (Heißdampf) dann in Dampfumformstationen (Druckreduktion mit Wassereinspritzung) in Sattdampf umgewandelt. Der Sattdampf kann dann im nachfolgenden Wärmetauscher sehr effektiv seine Wärme durch Kondensation wieder abgeben (analog: Hochspannungsleitung, Trafo-Station). Bei kürzeren Abständen vom Wärmeerzeuger zum Verbraucher können (auch hier analog zum Stromtransport) niedrigere Transportdrücke verwendet werden.

Die Verwendung als Eis bietet den Vorteil, relativ hohe Leistungen mit geringen Volumenströmen übertragen zu können (vgl. spezifische Wärmekapazität und Schmelzenthalpie). Um fließfähig (Eisbrei) zu bleiben, muss das Wasser dazu allerdings mit Gefrierschutzmitteln versetzt werden.

Wasser wird sowohl in offenen als auch in geschlossenen Kreisläufen eingesetzt.

[Bearbeiten] Luft

Luft ist fast überall verfügbar und wird meistens in offenen Kreisläufen eingesetzt.

[Bearbeiten] Thermalöle

Thermalöle können je nach ihrer chemischen Zusammensetzung unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Sie lassen sich unterteilen in niedrigviskose, leicht entflammbare Öle mit tiefen Erstarrungs- und Siedepunkten und höherviskose, schwer entflammbare Öle mit höheren Erstarrungs- und Siedepunkten. Nach ihrer Herkunft können sie unterschieden werden in

• Mineralöle (z. B. Dieselöle)
• Synthetiköle (z. B. Silikonöle)
• Biologische Öle (z. B. Zitrusöle (--> D-Limone))

Dieselöle sind Kohlenwasserstoffe und werden aus Erdöl gewonnen. Sie sind relativ billig, jedoch üblicherweise brennbar und chemisch aggressiv gegenüber vielen Dichtungsmaterialien.

Silikonöle sind Polymere Methylsiloxane oder Polymere Phenylsiloxane. Silikonöle sind nicht korrosiv und nicht giftig; die höherviskosen Silikonöle sind auch für die Lebensmitteltechnik zugelassen. Allerdings sind die spezifischen Wärmekapazitäten relativ klein.

Zitrusöle werden aus den Schalen von Zitrusfrüchten gewonnen und sind lebensmitteltechnisch unbedenklich. Eingesetzt wird beispielsweise Orangenöl unter dem Handelsnamen D-Limone zur Kühlung von Gussformen in der Schokoladenproduktion.

Thermalöle werden naturgemäß in geschlossenen Kreisläufen eingesetzt.

[Bearbeiten] Kälteträger

Als Kälteträger werden üblicherweise Wärmeträger bezeichnet, welche für die Verwendung unterhalb von 0 °C vorgesehen sind. Aufgrund seiner hohen spezifischen Wärmekapazität wird auch in diesem Temperaturbereich gerne Wasser verwendet. Allerdings gefriert reines Wasser bereits bei 0 °C, d. h. die polaren Wassermoleküle ordnen sich zu Eiskristallen. Um auch bei tieferen Temperaturen die guten Wärmeträgereigenschaften des Wassers nutzen zu können, muss diese Ordnung gestört werden. Geeignet dafür ist die Beimengung von polaren oder amphoteren Stoffen; auf diese Weise kann die 0°C-Grenze teilweise deutlich unterschritten werden, und die Mischung von Wasser und Gefrierschutzmittel kann als einphasiger Kälteträger verwendet werden. Bei weiter sinkender Temperatur findet dann zuerst eine partielle Entmischung statt, und es entstehen kleine Eiskristalle von ca. 0,01 bis 0,1 mm Durchmesser, umgeben von einer immer höher konzentrierten Gefrierschutzmittellösung, so dass knapp oberhalb der Erstarrungstemperatur ein Eisbrei vorliegt. Dieser stellt einen zweiphasigen Kälteträger dar. Um einer Verfestigung durch Verbindung der Eiskristalle entgegenzuwirken, muss der Eisbrei immer in Bewegung gehalten werden; so sind zum Beispiel Vorratsgefäße mit Rührvorrichtungen auszustatten. Je tiefer die Anwendungstemperatur, desto höher ist der erforderliche Anteil an Gefrierschutzmittel (natürlich nur bis hin zum Eutektikum). Das Verhalten von Mischungen aus Gefrierschutzmittel und Wasser lässt sich darstellen durch die Gefrierpunktskurve.

Um die Kühlanlage zu schützen, wird das zugemischte Gefrierschutzmittel wird mit Inhibitoren versetzt; das als Kälteträger eingesetzte Wasser sollte nach Möglichkeit entgast sein.

Als Gefrierschutzmittel verwendet werden Alkohole und Salze.

[Bearbeiten] Alkohol-Wasser-Lösungen

Alkohole lassen sich, entsprechend der Anzahl der OH-Gruppen je Molekül, unterteilen in

einwertige Alkohole, wie zum Beispiel

Methanol CH₃OH

Ethanol (Weingeist) C₂H₅OH

Propanol C₃H₇OH

zweiwertige Alkohole, wie zum Beispiel

Ethandiol (Ethylenglykol) C₂H₄(OH)₂

Propandiol (Propylenglykol)C₃H₆(OH)₂

dreiwertige Alkohole, wie zum Beispiel

1,2,3-Propantriol (Glyzerin) C₃H₅(OH)₃

und höhere Alkohole.

Kälteträger aus Wasser und Alkohol sind nicht oder kaum korrosiv. Sie sind allerdings unbedingt sauerstofffrei zu halten, da aus Alkoholen in Verbindung mit Sauerstoff stark korrosiv wirkende organische Säuren entstehen (zum Beispiel aus Ethanol Ethansäure, „Essigsäure“).

Als Gefrierschutzmittel verwendet werden vor allem Glykole wie Ethylenglykol, Propylenglykol und höhere Alkylenglykole. Glykole schmecken süßlich (iglykos = süß;) und sind nur schwach giftig, was im Glykolwein-Skandal missbraucht wurde.

Ethylenglykol weist die besten physikalischen Eigenschaften auf, ist allerdings nicht für die Lebensmitteltechnik zugelassen. Propylenglykol wird verwendet, wenn der Kälteträger in Kontakt mit Trinkwasser oder Lebensmitteln geraten kann. Höhere Alkylenglykole werden eingesetzt, wenn Beständigkeit auch bei höheren Temperaturen erforderlich ist. Da die Glykole eine deutlich geringere spezifische Wärmekapazität sowie eine höhere Viskosität als Wasser aufweisen, verschlechtern sich mit zunehmendem Glykolanteil die Kälteträgereigenschaften der Mischung.

[Bearbeiten] Salz-Wasser-Lösungen

Salz-Wasser-Lösungen lassen sich unterteilen in

chloridhaltige Salz-Wasser-Lösungen, wie zum Beispiel Natriumchlorid(NaCl)-Wasser-Lösung, Magnesiumchlorid(MgCl₂)-Wasser-Lösung, Kalziumchlorid(CaCl₂)-Wasser-Lösung

chloridfreie Salz-Wasser-Lösungen, wie zum Beispiel Kaliumcarbonat(K₂CO₃)-Wasser-Lösung.

Im Gegensatz zu chloridhaltigen Lösungen sind Kälteträger aus Lösungen chloridfreier Salze mit Edelstahl gut verträglich.

Salzlösungen (Solen) können auch in der Lebensmitteltechnik eingesetzt werden. Ihre Viskosität ist niedrig.