Wärmetransportmittel

Als Wärmeträger oder Wärmetransportmittel bezeichnet man ein Medium, welches (in einem Kühl- bzw. Heizkreislauf) Wärme entlang eines Temperaturgradienten, das heißt von 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. Um die Transportverluste zu minimieren, werden möglichst kurze und gut isolierte Rohrleitungsführungen angestrebt.

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

Üblicherweise verwendete Wärmeträger

• Wasser
• Luft
• Thermalöle / Thermoöle
• Salzschmelzen
• flüssige Metalle

Wasser

Wasser ist aufgrund seiner sehr hohen spezifischen Wärmekapazität von zirka 4,2 kJ/kg K bzw. seiner hohen spezifischen Verdampfungsenthalpien von rund 2000 kJ/kg und seiner Schmelzenthalpie von 333 kJ/kg ein sehr guter Wärme- bzw. Kälteträger. Es wird insbesondere zur Wasserkühlung eingesetzt: Wasser stellt als Kühlwasser das häufigste Kühlmittel dar. 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 Wärmeübertrager 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.

Luft

Luft ist fast überall verfügbar und wird meistens in offenen Kreisläufen eingesetzt. Es wird zur Luftkühlung verwendet, aber auch im Luftkollektor und in einigen solaren Meerwasserentsalzungsanlage‎n‎.

Thermalöle

Thermalöle werden insbesondere zur Ölkühlung verwendet. Sie 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 (zum Beispiel Dieselöle)
• Synthetiköle (zum Beispiel Silikonöle)
• Biologische Öle (zum Beispiel Zitrusöle (--> D-Limone))

Mineralöle sind Kohlenwasserstoffe und werden aus Erdöl gewonnen. Sie sind relativ preisgünstig, 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.

Salzschmelzen

Verwendung als Wärmeträger (z.B. Mischungen aus Natriumnitrat und Kaliumnitrat) bis zirka 550°C

flüssige Metalle

einsetzbar bis zirka 800°C

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, das heißt 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.

Eisbrei mit Propylenglykol als Gefrierpunkt senkendes Mittel durch ein Mikroskop .

Bei weiter sinkender Temperatur findet dann zuerst eine partielle Entmischung statt, und es entstehen kleine Eiskristalle von zirka 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 mit Inhibitoren versetzt; das als Kälteträger eingesetzte Wasser sollte nach Möglichkeit entgast sein.

Als Gefrierschutzmittel verwendet werden Alkohole und Salze.

Alkohol-Wasser-Lösungen

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.

Salz-Wasser-Lösungen

Salz-Wasser-Lösungen lassen sich in chloridhaltige und chloridfreie Salz-Wasser-Lösungen unterteilen. Chloridhaltige Salz-Wasser-Lösungen sind etwa wässrige Lösungen von Natriumchlorid, Magnesiumchlorid und Kalziumchlorid. Chloridfrei ist zum Beispiel die wässrige Lösung von Kaliumcarbonat.

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.