Um Wärme abzutransportieren, sind Wärmeträger bzw. Kühlmittel, notwendig. Hier unterscheidet man zwischen Kaltwasser, Wasser-Glykol-Gemische (Sole) und Kältemittel.
Im Gegensatz zu einer Heizungsanlage, die einem Gebäude bzw. Räumen Wärme zuführt, wird mit einer Kaltwasseranlage dem Gebäude bzw. Räumen Wärme entzogen. Dabei kann bei entsprechenden Kaltwassertemperaturen während des Betriebes durch die Entfeuchtung der Luft auf den Oberflächen der Wärmetauscher Kondensat entstehen, das zusätzlich abgeführt werden muss.
Kaltwasseranlagen werden mit kleinen Temperaturspreizungen (4 - 6 K) ausgelegt. Das ergibt einen 3- bis 6fachen Wasservolumenstrom gegenüber Heizkörper-Heizungsanlagen (10 - 20 K) bei gleicher Wärmeübertragung. Bei der Planung von Anlagen (Kühlanlagen) mit Sole (Wasser-Glykol-Gemisch [Ethylen-Glykol oder Propylen-Glykol]) muss beachtet werden, dass sich die Druckverluste, Volumenströme und die Kälteleistung verändern.
Die Anlagen werden zur Klimatisierung (Lüftungsanlage, Kühlflächen) und in der Prozesstechnik (z. B. Kühlung von Maschinen, Apparate, EDV-Anlagen) eingesetzt.
Ein Kaltwassererzeuger (Kaltwassersatz, Flüssigkeitskühler, Wärmepumpe) entzieht aus einem System Wärme, die entweder in die Umgebung (Außenluft) oder an weitere Verbraucher (TW-Speicher, Pufferspeicher, Heizflächen) zu Heizzwecken abgegeben wird.
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Wenn die Flüssigkeit in Erdwärmetauschern und Erdsonden auf der Kalt- oder Kühlwasserseite die Temperatur von +2 bis +3 °C unterschreiten, dann muss dem Wasser ein Frostschutzmittel beigemischt werden. Das Mischverhältnis wird nach der Temperatur (z. B. Außenluft) festgelegt, die auf die Rohrleitung einwirken kann. Das Frostschutzmittel muss biologisch abbaubar sein (z. B. Glysofor L). Damit auch der Korrosionsschutz gewährleistet ist, werden Mischungen aus Wasser und Alkoholen (Glykole) verwendet. Diese haben unterschiedliche toxische und thermodynamische Eigenschaften. Heute wird immer noch der Begriff "Sole" verwendet, obwohl es sich nicht um Wasser-Salz-Gemische handelt und somit falsch ist.
Glykole gibt es mit
unterschiedlichen Eigenschaften. Die Art des Mittels und das Mischungsverhältnis wird von den
Geräteherstellern vorgegeben. Auch darf später
keine eine
andere Glykolart nachgefüllt werden. Hier sollten schon gewisse
Fachkenntnisse vorhanden sein, wenn der
Betreiber es
selber machen will. Außerdem schreiben einige
Wärmepumpenhersteller bestimmte
Frostschutzmittel vor und verlangen aus
Gewährleistungsgründen eine
Wartung durch einen
Fachbetrieb.
Bei der Anwendung von Glykolen als Frostschutz sind folgende Punkte zu beachten:
- Glykolzumischung ergibt eine Erhöhung der Viskosität im Vergleich zu Wasser
- Wasser-Glykol-Gemische haben eine schlechtere Wäremübergangszahl als Wasser
- Glykole verdunsten leichter als Wasser. Im Laufe der Zeit ändert sich der Glykolanteil in der Mischung
- Glykole sind (mehr oder weniger) toxisch
- Wasser-Glykolgemische dürfen nicht in die Kanalisation abgeführt werden
- Zur Verringerung der Korrosionsgefahr müssen Wasser-Glykolgemischen Inhibitoren zugesetzt werden
- Angaben des BAG (Bundesamt für Gesundheitswesen [Schweiz]) auf den Gebinden zu berücksichtigen
- Verschiedene Glykolarten dürfen nicht vermischt werden
- Die Konzentration ist deshalb jährlich zu kontrollieren
Im
Primärkreis von
Sole/Wasser-Wärmepumpen werden
Frostschutzmittel auf
Glykol-Basis eingesetzt. Diese müssen einen Frostschutz bis mindestens
-15 °C sicherstellen und geeignete
Inhibitoren für den
Korrosionsschutz beinhalten.
Fertiggemische gewährleisten eine gleichmäßige Verteilung der Konzentration. Hier wird z. B.
Wärmeträgermedium "
Tyfocor" auf Basis von
Ethylenglycol (Fertiggemisch bis -15 °C, grün) empfohlen. Wichtig ist eine genaue Dosierung, da besonders dieses
Frostschutzmittel/Wasser-Gemisch zu einem
Wachstum von Mikroorganismen (
Biofouling) führen kann.
Da
Wasser-Frostschutzmittel eine
höhere Viskosität und
Dichte besitzen, muß mit einem höheren Druckabfall beim Durchströmen der Anlage gerechnet werden. Zum Berechnen der Zuschläge gibt es Diagramme für die
Wärmeübergangszahl und den relativen Druckverlust – im Vergleich mit reinem
Wasser. Diese Kurven sowie weitere physikalische Daten befinden sich in den technischen Unterlagen der Hersteller. Außerdem hat ein
Wasser-Glykol-Gemisch einen höheren
Ausdehnungskoeffizient
Frostschutzmittel enthalten
Korrosionsinhibitoren, die die
Metalle der Anlage, auch bei
Mischinstallation, vor
Korrosion dauerhaft schützen. Zur Prüfung der Wirksamkeit der Inhibitorenkombination sollte die in Fachkreisen bekannte
Korrosionsprüfmethode ASTM D 1384 (American Society for Testing and Materials) zur Anwendung kommen. Glykol-Wassergemische ohne Zusatz von Inhibitoren können wegen der korrosionsfördernden Eigenschaften, die stärker als bei
Wasser allein sind, nicht verwendet werden.
Je nach
Inhibitorzusammensetzung werden diese vollständig, teilweise oder gar nicht vom Medium wieder aufgenommen (
Wasser und Propylenglykol sind verdampfbar; die Inhibitoren kristallisieren auf den Absorberrohroberflächen). Somit führen sie zu einer verminderten Kollektorleistung. Die
Inhibitorkonzentration im Medium bzw. der
Korrosionsschutz verringern sich. Deshalb wurden
Wärmeträger, die auf flüssigen Inhibitoren basieren, auf den Markt gebracht (Tyfocor LS, Antifrogen SOL). Aus chemischer Sicht wird das Propylenglykol durch oxidative Prozesse abgebaut, wobei
Reaktionsprodukte wie Milchsäure, Oxalsäure, Essigsäure und Ameisensäure nachweisbar sind. Es entstehen auch Aldehyde und diese führen zu einer
Geruchsbildung.
Unterhalb einer vom Hersteller festgelegten Konzentration kann es zu einem
Wachstum von Mikroorganismen (
Biofouling) in der Sole kommen, welche zu
organischen Ablagerungen führen können. Die Frostsicherheit sollte auf einen
Stockpunkt* von -34 °C (entsprechender
Eisflockenpunkt: -27 °C) eingestellt werden. Wie Versuche ergaben, übt diese Einstellung unter mitteleuropäischen Winterbedingungen keine
Sprengwirkung auf metallische Anlagenbauteile aus, da sich beim Abkühlen unterhalb des
Kristallisationspunktes ein
Eisbrei bildet. Bei
Wasserzusätzen verringert sich natürlich die Frostsicherheit.
* Temperatur, bei der eine Flüssigkeit so zähflüssig wird, dass sie nicht mehr fließen kann.
In Kühlwasseranlagen gibt es zusätzliche Anforderungen an den Betrieb oder die Wartung. Die niedrigere Wassertemperatur führt zu verstärkten hydraulischen Problemen aufgrund von Luft bzw. Gase. Aber noch mehr muss z. B. Korrosion oder mikrobiologischem Wachstum (Biofilmbildung) und den daraus resultierenden Folgen in der Kühlanlage geachtet werden. In Kühlanlagen ist die Qualität des Anlagenwassers ein entscheidender Faktor für die Effizienz. Sie wird erreicht, wenn die Aspekte Druck, Korrosion, Luft/Gase und Schmutz in die Betrachtung einbezogen werden.
In Kühlanlagen ist die Vermeidung von Luft- bzw. Gaseinträgen besonders wichtig.
In Kühlanlagen sind Zwischengefäße vorzusehen, wenn Gefäßtemperaturen von unter 5 °C auftreten, die meisten Gefäßhersteller die niedrigste Temperatur mit + 5 °C angeben.
Der
Ausdehnungsfaktor ist höher, wenn dem
Wasser Frostschutzmittel zugegeben wurde. Die entsprechenden Werten sind von dem Mischungsverhältnis abhängig. Bei Kühlanlagen muss der Inhalt der Anlage rechnerisch ermittelt werden, denn Pauschalwerte aufgrund der Nennleistung des Kühlaggregates ergeben keine zuverlässigen Ergebnisse. Für die Bestimmung des Ausdehnungsvolumens muss mit der max. möglichen Umgebungstemperatur gerechnet werden, welche die Kühlflüssigkeit bei Ausfall des Kühlaggregates annehmen kann (ca.
30 – 35°C).
Der
Vordruck in einem
Membrandruckausdehnungsgefäß (
MAG) sollte mindestens
1,5 bar betragen, damit die angeschlossenen Geräte nicht auf Grund eines zu geringen Druckes abschalten. Die
Wasservorlage, d. h. der
Fülldruck sollte entsprechend hoch über dem
Vordruck liegen und bei der Auslegung berücksichtigt werden. Dies ist besonders wichtig, wenn das Kühlmedium stark unter die Fülltemperatur absinken kann.
Ein
transparenter Ausgleichsbehälter wird eingesetzt, da sich der
Wärmeträger (
Wasser-Glykol-Gemisch bzw.
Sole) im Kreislauf eines
Erdkollektors oder einer
Erdsonde
im normalen Betrieb abkühlt. Hier ist es sinnvoll, den Füllstand im
Ausgleichsbehälter beobachten zu können. Zumal eine
Wärmepumpe bei zu
niedrigem Druck auf Störabschaltung geht. Außerdem ist es normal, dass
der Füllstand der Soleflüssigkeit im ersten Monat nach der
Inbetriebnahme der Anlage etwas sinkt. Der Füllstand kann auch je nach
Temperatur der Wärmequelle variieren. Im Gegenteil zu Heizungs- und
Solaranlagen zieht sich die Flüssigkeit zusammen.
Wenn der Füllstand der Soleflüssigkeit so weit gesunken ist, dass er im Soleausgleichsbehälter nicht mehr sichtbar ist, muss die Soleflüssigkeit nachgefüllt werden. Im Gegensatz zu den Membrandruckausdehnungsgefäßen (MAG) haben diese Gefäße haben keine Membran, da das Luftpolster den Gegendruck aufrecht hält. Bei Anlagen, die keinen Mindestdruck benötigen, kann auf das Sicherheitsventil verzichtet werden. Dann kann die Anlage offen betrieben werden. Jedes Ausdehnungsgefäß sollte mit einem Kappenventil angeschlossen werden, damit es bei der Dichtheitsprüfung und dem Luftfreispülen von der Anlage getrennt werden kann.
Der
Sole-Fülldruck sollte zwischen
1 und
2 bar
liegen. Wenn er für die Dauer von 2 Minuten unter 0,6 bar oder einmalig
unter 0,2 bar sinkt, wird die
Wärmepumpe automatisch abgeschaltet und
eine Fehlermeldung wird angezeigt
Auch bei der PC-Kühlung kommen transparente Ausgleichsbehälter zum Einsatz.
Diese Messinstrumente gehören zur
Grundausstattung für die
Wartung thermischer
Solaranlagen und
Kühlsystemen.
Frostsicherheit - Handrefraktometer
Das Handrefraktometer bestimmt die Frostsicherheit von Wasser-Propylen-glykol-, Wasser-Ethylenglykolgemischen und die Dichte von Wasser-Batterie-säuregemischen.
Messbereiche:
- Propylenglykol 0 bis -50 °C
- Ethylenglykol 0 bis -50 °C
- Batteriesäure 1,15-1,30 g/cm³
Die Messung ist zwar weitgehend temperaturunabhängig, jedoch erzielen Sie den exaktesten Wert bei einer Mediumtemperatur von 20 °C.
Zur Schnellmessung kann auch ein "Glycomat" oder ein Aräometer eingesetzt werden.
Außerdem sind Messgeräte für den pH-Wert und zur Wasserhärtemessung der Flüssigkeit notwendig.
Eine
Handfüll- und
Impfpumpe mit Absperrkugelhahn wird zur
Druckerhöhung und zum
Nachfüllen von
Kühlflüssigkeiten eingesetzt. Die
Pumpleistung beträgt
2 l/min und baut einen Druck von max.
4,5 bar auf.
Eine Hand-Druckprüfpumpe wird zur exakten und schnellen Dichtigkeitsprüfung bzw. Druckprüfung von Rohrleitungssystemen und Behältern in der Sanitär- und Heizungstechnik, bei Pressluftanlagen und im Kessel- und Druckbehälterbau eingesetzt.
Der Prüf- und Druckbereich beträgt je nach Ausführung bis 60 bar und der Behälter hat ein Volumen (Wasser, Öl, Glycol, pH-Wert der Flüssigkeiten 7 - 12, Temperatur der Flüssigkeiten bis 60 °C) von 12 l.
Druckprüfpumpe soll nicht zum Füllen leerer Rohrleitungen und Behälter als Förderpumpe missbraucht werden.
Zum Füllen und Spülen ist der Einsatz einer Füll- und Spülstation (Spülgeräte) sinnvoll.
Wenn die Flüssigkeit in Erdwärmetauschern und Erdsonden auf der Kalt- oder Kühlwasserseite die Temperatur von +2 bis +3 °C unterschreiten, dann muss dem Wasser ein Frostschutzmittel beigemischt werden. Das Mischverhältnis wird nach der Temperatur (z. B. Außenluft) festgelegt, die auf die Rohrleitung einwirken kann. Das Frostschutzmittel muss biologisch abbaubar sein (z. B. Glysofor L). Damit auch der Korrosionsschutz gewährleistet ist, werden Mischungen aus Wasser und Alkoholen (Glykole) verwendet. Diese haben unterschiedliche toxische und thermodynamische Eigenschaften. Heute wird immer noch der Begriff "Sole" verwendet, obwohl es sich nicht um Wasser-Salz-Gemische handelt und somit falsch ist.
Glykole gibt es mit
unterschiedlichen Eigenschaften. Die Art des Mittels und das Mischungsverhältnis wird von den
Geräteherstellern vorgegeben. Auch darf später
keine eine
andere Glykolart nachgefüllt werden. Hier sollten schon gewisse
Fachkenntnisse vorhanden sein, wenn der
Betreiber es
selber machen will. Außerdem schreiben einige
Wärmepumpenhersteller bestimmte
Frostschutzmittel vor und verlangen aus
Gewährleistungsgründen eine
Wartung durch einen
Fachbetrieb.
Bei der Anwendung von Glykolen als Frostschutz sind folgende Punkte zu beachten:
- Glykolzumischung ergibt eine Erhöhung der Viskosität im Vergleich zu Wasser
- Wasser-Glykol-Gemische haben eine schlechtere Wäremübergangszahl als Wasser
- Glykole verdunsten leichter als Wasser. Im Laufe der Zeit ändert sich der Glykolanteil in der Mischung
- Glykole sind (mehr oder weniger) toxisch
- Wasser-Glykolgemische dürfen nicht in die Kanalisation abgeführt werden
- Zur Verringerung der Korrosionsgefahr müssen Wasser-Glykolgemischen Inhibitoren zugesetzt werden
- Angaben des BAG (Bundesamt für Gesundheitswesen [Schweiz]) auf den Gebinden zu berücksichtigen
- Verschiedene Glykolarten dürfen nicht vermischt werden
- Die Konzentration ist deshalb jährlich zu kontrollieren
Im
Primärkreis von
Sole/Wasser-Wärmepumpen werden
Frostschutzmittel auf
Glykol-Basis eingesetzt. Diese müssen einen Frostschutz bis mindestens
-15 °C sicherstellen und geeignete
Inhibitoren für den
Korrosionsschutz beinhalten.
Fertiggemische gewährleisten eine gleichmäßige Verteilung der Konzentration. Hier wird z. B.
Wärmeträgermedium "
Tyfocor" auf Basis von
Ethylenglycol (Fertiggemisch bis -15 °C, grün) empfohlen. Wichtig ist eine genaue Dosierung, da besonders dieses
Frostschutzmittel/Wasser-Gemisch zu einem
Wachstum von Mikroorganismen (
Biofouling) führen kann.
Da
Wasser-Frostschutzmittel eine
höhere Viskosität und
Dichte besitzen, muß mit einem höheren Druckabfall beim Durchströmen der Anlage gerechnet werden. Zum Berechnen der Zuschläge gibt es Diagramme für die
Wärmeübergangszahl und den relativen Druckverlust – im Vergleich mit reinem
Wasser. Diese Kurven sowie weitere physikalische Daten befinden sich in den technischen Unterlagen der Hersteller. Außerdem hat ein
Wasser-Glykol-Gemisch einen höheren
Ausdehnungskoeffizient
Frostschutzmittel enthalten
Korrosionsinhibitoren, die die
Metalle der Anlage, auch bei
Mischinstallation, vor
Korrosion dauerhaft schützen Zur Prüfung der Wirksamkeit der Inhibitorenkombination sollte die in Fachkreisen bekannte
Korrosionsprüfmethode ASTM D 1384 (American Society for Testing and Materials) zur Anwendung kommen. Glykol-Wassergemische ohne Zusatz von Inhibitoren können wegen der korrosionsfördernden Eigenschaften, die stärker als bei
Wasser allein sind, nicht verwendet werden.
Je nach
Inhibitorzusammensetzung werden diese vollständig, teilweise oder gar nicht vom Medium wieder aufgenommen (
Wasser und Propylenglykol sind verdampfbar; die Inhibitoren kristallisieren auf den Absorberrohroberflächen). Somit führen sie zu einer verminderten Kollektorleistung. Die
Inhibitorkonzentration im Medium bzw. der
Korrosionsschutz verringern sich. Deshalb wurden
Wärmeträger, die auf flüssigen Inhibitoren basieren, auf den Markt gebracht (Tyfocor LS, Antifrogen SOL). Aus chemischer Sicht wird das Propylenglykol durch oxidative Prozesse abgebaut, wobei
Reaktionsprodukte wie Milchsäure, Oxalsäure, Essigsäure und Ameisensäure nachweisbar sind. Es entstehen auch Aldehyde und diese führen zu einer
Geruchsbildung.
Unterhalb einer vom Hersteller festgelegten Konzentration kann es zu einem
Wachstum von Mikroorganismen (
Biofouling) in der Sole kommen, welche zu
organischen Ablagerungen führen können. Die Frostsicherheit sollte auf einen
Stockpunkt* von -34 °C (entsprechender
Eisflockenpunkt: -27 °C) eingestellt werden. Wie Versuche ergaben, übt diese Einstellung unter mitteleuropäischen Winterbedingungen keine
Sprengwirkung auf metallische Anlagenbauteile aus, da sich beim Abkühlen unterhalb des
Kristallisationspunktes ein
Eisbrei bildet. Bei
Wasserzusätzen verringert sich natürlich die Frostsicherheit.
* Temperatur, bei der eine Flüssigkeit so zähflüssig wird, dass sie nicht mehr fließen kann.