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Kälte-Fluide, Thermalöle und Wärmeträgermedien

Dem Prozess einheizen – aber richtig! Wärmeträgermedien in der Übersicht

| Autor / Redakteur: Dominik Stephan* / Dominik Stephan

Es kommt nicht nur auf die Investitionskosten an: Höherwertige Wärmeträger, wie hier in diesem Thermalöl-Erhitzer, helfen Betriebskosten dauerhaft zu minimieren.
Es kommt nicht nur auf die Investitionskosten an: Höherwertige Wärmeträger, wie hier in diesem Thermalöl-Erhitzer, helfen Betriebskosten dauerhaft zu minimieren. (Bild: Archiv, ©Oksana Churakova - stock.adobe.com; [M]Grimm)

Synthetisch, biologisch oder mineralisch: Was wie ein Stadt-Land-Fluss für Chemiker klingt, ist die ganze Vielfalt der Wärmeträgermedien. Anwender haben zwischen Wasserdampf und Thermoöl die Qual der Wahl - welches Produkt hat beim Temperieren die Nase vorn?

Heiße Sache oder ganz cool: Wenn Prozesse temperiert werden, sind Wärmeübertrager gefragt. Ein passendes Übertragermedium muss her, und da haben Planer und Anwender die Qual der Wahl. Im einfachsten Fall Wasser oder Wasserdampf – immerhin hat das Naturprodukt in Sachen Wärmeübertragung einiges zu bieten: Gegenüber anderen Medien sind die Wärmekapazität (fast doppelt so hoch) und die Wärmeleitfähigkeit (fünffach) beachtlich – und das bei einem nicht-brennbaren Medium niedriger Viskosität. Dazu kommen geringe Kosten für Anschaffung und Entsorgung.

Allerdings führt das „kühle Nass“ besonders in der Dampfphase schnell zu Korrosion an Anlagenteilen oder Rohrleitungen. Bei Temperaturen über dem Siedepunkt muss der Kühlkreislauf unter Überdruck gefahren werden, was eine entsprechend druckfeste Konstruktion und aufwändige Überwachung erforderlich macht.

Fachbuch „Wärmeträgertechnik mit organischen Fluiden“Das Buch „Wärmeträgertechnik" erläutert den Stand der Technik beim Einsatz organischer Fluide sowie neueste Vorschriften, deren Kenntnis unabdingbar für Planung, Bau und Betrieb von Wärmeträgeranlagen ist. Ein umfangreicher Anhang bietet Stoffdaten von organischen Wärmeträgermedien.

Alternativ können von -50 °C bis 120 °C Wasser-Glykol-Gemische verwendet werden die Kalkablagerungen und Korrosion vermeiden. Die in Wärmepumpen, Heizanlagen oder in Kraftfahrzeugen verwendeten Monoethylenglykol-Wasserlösungen (umgangssprachlich ‚Glykol‘) sind allerdings für den Einsatz in der Industrie meist nicht geeignet, da sie für kürzere Betriebsdauer und andere Bedingungen ausgelegt sind.

Ganz anders dagegen moderne Lösungen auf Propylenglykol-Basis (auch bekannt als 1,2-Propandiol). Diese werden bevorzugt dort eingesetzt, wo niedrige Toxizitätswerte gefordert sind (Propylenglykol wird als Lebensmittelzusatzstoff E1520 verwendet) – wie Fragols Zitrec F, eine wassermischbare Flüssigkeit auf Basis von Monopropylenglykol mit HT-1-Klassifizierung.

Wärmeträger-Öle: Mineralisch oder synthetisch?

Entsprechend häufig greifen Anlagenbauer auf so genannte Thermalöle, also Wärmeträger auf Kohlenwasserstoffbasis, zurück. Dabei kommen Produkte wie Fragols Fragoltherm-Medien auf Basis hydrierter Mineralöle mit einem Einsatzbereich von -110 °C bis 200 °C (Fragoltherm XT-9) bis -15 °C bis 325 °C (Fragoltherm FG-35) zum Einsatz.

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Man unterscheidet zwischen paraffinbasischen Ölen (mehr als 75 % Paraffine), naphthen-basischen (mehr als 70 % Naphthene) oder aromatischen (mehr als 50 % Aromaten) – letztere neigen stärker zur Reaktion mit Sauerstoff, sind aber aufgrund ihrer ringförmigen Molekülstruktur thermisch stabiler als Paraffine. Bei der Auswahl sollten besonders die thermische und oxidative Beständigkeit sowie Siede- und Flammpunkt beachtet werden.

Volldampf für Thermalöle: Wärmeträgermedien in der Dampfphase

Leider sind Mineralölprodukte chemisch aggressiv gegenüber vielen Dichtungsmaterialien und – bei hohen Temperaturen – brandgefährdet. Anwender auf der Suche nach Alternativen nutzen deshalb immer häufiger synthetische Wärmeträger auf Basis von Polyalkylenglykolen, Polybutenen oder aromatischen Kohlenwasserstoffen.

Manche dieser Fluide können auch im dampfförmigen Zustand eingesetzt werden, was Vorteile bei der Beheizung großer Flächen oder komplizierter Formteile hat. Ein echter Klassiker ist dabei das eutektische Biphenyl/Diphenyloxid-Gemisch, welches Lanxess unter dem Produktnamen Diphyl vertreibt. Es kann nicht nur bis etwa 257 °C flüssig, sondern auch in der Dampfphase bis zu +400 °C verwendet werden.

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15.09.11 - Wärmeträger entscheiden über eine optimale Prozessführung und damit beispielsweise über einen niedrigen Energieeinsatz. Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass das richtige Wärmeträgermedium ausgewählt wurde. Der Beitrag gibt wertvolle Tipps. lesen

Eine Alternative mit ähnlichen Eigenschaften stellen Produkte aus Benzyltoluol (z.B. Laudas Ultra 350) und Diethylbenzol (wie Tulstars HTF 750) dar, die sich für kühlere Temperaturen eignen (-30°C bis 360° C für Benzyltoluol und -80 °C bis 300 °C für Diethylbenzol, wobei die Maximal-Temperatur bereits in der Gasphase liegt).

Ein weiter Pluspunkt: Die Viskosität von Diethylbenzol beträgt bei -60 °C lediglich 7,1 mm2/s, wodurch sich das Fluid gut für Kühlvorgänge eignet. Auch Sasol Germany bietet in der Tradition der Chemischen Werke Hüls synthetische Wärmemedien, wie die Marlotherm-Fluidem, die – je nach Medium – bei Temperaturen von -90 °C bis etwa 360 °C eingesetzt werden können.

Die Grenzen von Thermalölen und Wärmeträgermedien

Bei bis zu 200 °C können Polyalkylenglykole (meist auf Polyethylen- oder Polypropylen-Basis), wie PEG von Avokal-Heller, eingesetzt werden. Ebenfalls bis 200 °C können Polybutene genutzt werden – doch sind diese auch für extreme Kühlvorgänge (bis -80 °C) geeignet. Entsprechend der Richtlinien der FDA können diese Wärmeträger auch in der Lebensmittelherstellung zum Einsatz kommen.

Auch Thermalöle haben ihre Grenzen: So können die Temperier-Prozesse nur bis etwa 350 °C drucklos betrieben werden. Ist das theoretische Maximum von etwa 400 °C erreicht, beträgt der Dampfdruck schon etwa 11 bar. Außerdem kann die Temperaturbelastung zu einer thermischen Zersetzung des Öls oder niedriegerem Flammpunkt und höherer Brandgefahr führen.

Das Beste zweier Welten: Semi-organische Wärmeträger

Semi-organische Wärmeträger sollen das Beste zweier Welten vereinen: Polydimethylsiloxane kombinieren die Wärmebeständigkeit von SiO2 mit den Eigenschaften der entsprchenden organischen Gruppe. Dabei sind Varianten für den Tieftemperaturbereich (bis -100 °C) und für Betriebstemperaturen von 400°C und mehr erhältlich.

Solche Medien bietet z.B. Lauda als Kryo 95 für den Tieftemperaturbereich von -95 °C bis 160 °C. Ein Nachteil soll hier nicht verschwiegen werden: Polydimethylsiloxane sind nur in der Flüssigphase einsetzbar – das bedeutet, dass bei 400 °C ein Systemdruck von 14 bar erreicht wird.

Ade Thermalöl - Kommt jetzt das Heizen mit Salz?

Entsprechend macht vermehrt eine Alternative von sich Reden, die mit druckloser Betriebsweise, guter Wärmekapazität und einem hohen Einsatztemperaturspektrum glänzen kann: Salzschmelzen. Dabei nutzen Firmen wie Heat 11 eutektisch schmelzende Gemische von zwei oder drei Salzen mit einer Schmelztemperatur von 142 °C, die über eine gute Wärmeleitfähigkeit und Zersetzungsbeständigkeit verfügen. So sei ein druckloser Betrieb bis 550 °C möglich, erklärt das Bielefelder Unternehmen, das Salzschmelzanlagen mit Zwei- oder Dreizugkessel in vertikaler Bauweise fertigt.

Auch Lauda hat eine Temperierlösung mit Salzschmelze im Angebot: Dabei fördert eine Pumpe das flüssige Salzgemisch aus einem beheizten Bodentank zu einem Erhitzer, der es auf die gewünschte Temperatur bringt. Beim Ausschalten der Pumpe entleert sich das Gemisch selbsttätig wieder in den Tank. Dies verhindert ein Erstarren in der Anlage und garantiert hohe Betriebssicherheit in einem Temperaturbereich von 120 °C bis 550 °C, so der Hersteller.

Besser heizen mit Salz: Was können alternative Wärmeträger?

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13.12.17 - Heizen und Kühlen bis 550 °C mit Salzschmelzen – Jahrzehntelang waren Wasser und Wärmeträger-Öl das Mittel der Wahl für Heiz- und Kühlprozesse. Dabei gibt es Alternativen: Neuartige Temperiersysteme auf Flüssigsalz-Basis kombinieren einen einzigartigen Arbeitstemperaturbereich von 120 °C bis zu 550 °C mit hoher Betriebssicherheit für reibungslose Produktionsabläufe. lesen

Und weil auch beim Temperieren der Nachhaltigkeitsgedanke über die bloße Energieeffizienz hinausgeht, haben Aqua-Concept zusammen mit Du Pont Tate & Lyle und Bioamber eine Wärmeträgerflüssigkeit auf Basis nachwachsender Rohstoffe und nachhaltiger Produktionsprozesse entwickelt. So sind auch ungiftige, nicht brennbare und biologisch abbaubare Frostschutzmittel möglich. Und natürlich gibt es auch für Kühlprozesse maßgeschneiderte Medien, wie etwa Clariants Antifriogen auf Glykol- oder Kaliumformiat-Basis, die für Wärmerückgewinnungsprozessen Schutz vor Frost und Korrosion bieten.

Die Qual der Wahl

Wer Heiz- oder Kühlprozesse plant oder auslegt, hat also die Qual der Wahl. Neben entscheidenden Charakteristika der verwendeten Übertragermedien wie guten Wärmeübertragereigenschaften und einer hohen thermischen Stabilität, entscheidet häufig der Anwendungsfall über das verwendete Fluid. So sind Medien auf Mineralölbasis preiswerte Standardlösungen für mittlere Betriebstemperaturen. Bei höheren Temperaturen leidet jedoch das Öl und muss häufig gewechselt bzw. nachgefüllt werden – das geht ins Geld.

Experten setzen in diesen Fällen auf synthetische Wärmeübertrager, die bis 350 °C (unter Überdruck auch bis 400 °C) punkten können. Dabei sollte man nicht nur auf eine möglichst hohe Vorlauftemperatur schauen: Die Lebensdauer eines synthetischen Thermoöls hängt von der Chemie und Betriebsweise ab und kann bei hohen Temperaturen erheblich abweichen. Nicht zuletzt spielen Wassergefährdungsklasse und Gefahrguteinstufung eine wichtige Rolle. Egal ob Öl, Synthetik, Salz oder Bio: entscheidend ist, dass die Chemie stimmt.

Fachbuch „Wärmeträgertechnik mit organischen Fluiden“Das Buch „Wärmeträgertechnik" erläutert den Stand der Technik beim Einsatz organischer Fluide sowie neueste Vorschriften, deren Kenntnis unabdingbar für Planung, Bau und Betrieb von Wärmeträgeranlagen ist. Ein umfangreicher Anhang bietet Stoffdaten von organischen Wärmeträgermedien.

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