Das Wärmetransport-Medium
Zum Einsatz kommen mineralische Erdöldestillate und synthetische Öle. Entsprechend den Einsatzbedingungen, hauptsächlich in Bezug auf die Betriebstemperaturen, werden diese Öle aus einer Vielzahl von zur Verfügung stehenden Typen ausgewählt. Dabei gibt es allerdings "Standardöle" verschiedener Hersteller mit annähernd gleichen Eigenschaften - daher untereinander mischbar - die gut dreiviertel des gesamten Einsatzbereiches abdecken und dabei sehr preisgünstig sind.
Der Vorteil der Wärmeübertragung mit Thermalölen: Wärmeträgeröle bauen selbst unter hoher Temperatur keinen Dampfdruck über 1 bar auf. Damit sind Thermalölanlagen, von einigen Sonderanlagen abgesehen, drucklose Wärmeübertragungssysteme. Temperaturen bis etwa 400 °C können gefahren werden. Thermalöle sind allerdings nicht beliebig thermisch belastbar. Erhitzer müssen daher die Wärme kontrolliert zuführen. Typisch ist der sogenannte Filmtemperatur-Nachweis, mit welchem die höchste Belastung innerhalb des Erhitzers nachgerechnet wird. Diese Temperatur darf während des Betriebes auf keinen Fall überschritten werden, um das Öl nicht durch Cracken zu schädigen. Sauber ausgelegte Anlagen können so Wärmeträgerstandzeiten von weit über 10 Jahren erreichen.
Generelle Anforderungen an Wärmeträger
Wärmeträger transportieren Wärme von Wärme-Erzeugern zu den Wärme-Verbrauchern. Sie nehmen Wärme auf und geben diese an den Verbraucherheizflächen wieder ab. Um sich hierfür zu eignen, müssen sie ganz bestimmte Voraussetzungen erfüllen. Im Vordergrund stehen hierbei:
- die Fähigkeit, Wärme für den Transport speichern zu können
- eine ausreichende Temperaturbelastbarkeit
- ein wirtschaftlicher Betrieb
- günstige Wärmeübergangseigenschaften
- die Verfügbarkeit zu angemessenen Kosten
- ein sicherer Betrieb
Nicht immer, sind alle diese Eigenschaften gleichzeitig in vollem Umfang erfüllbar. D.h. es gilt dann Vor- und Nachteile abzuwägen und einen Wärmeträger zu wählen. Man kann aber sagen, dass bei der Planung von Wärmeübertragungsanlagen die Temperaturerfordernisse immer das grundlegendste Kriterium sein werden, welches am wenigsten Abstriche zulässt, also bestimmend ist.
Wasser als Wärmeträger
Wasser ist der wohl am meisten verbreitete Wärmeträger. Und es wird es wohl auch bleiben.
Wasser erfüllt viele der oben genannten Kriterien in bester Weise. Aber man kommt auch schnell an die Grenzen der Einsetzbarkeit. Vor allem weil mit zunehmender Temperatur ein hoher Dampfdruckanstieg einhergeht.
Um eine Vergleichsbasis zu schaffen, soll aber zunächst auf grundsätzliche Eigenschaften des Wärmeträgers Wasser, der auch als Wasserdampf verwendet wird, eingegangen werden.
Wärmespeicherung
Wasser speichert erstaunlich viel Wärme. Der spezifische Wärmeinhalt liegt bei 4,181 kJ/kgK (bei einem Umgbungsdruck von 1 bar und einer Umgebungstemperatur von 20°C). Grund für diese hohen Werte ist nicht zuletzt die polare Eigenschaft der Moleküle (Der spezifische Wärmeinhalt/ -kapazität von Wasser war lange sogar Basis einer grundlegenden Einheit der Wärmelehre: 1 Kilokalorie ist die Wärme, die benötigt wird um 1 kg Wasser von 14,5 auf 15,5 Grad Celsius zu erwärmen.). Auch bei höheren Temperaturen bleibt dieser cp-Wert nahezu konstant. Für genaue Berechnungen müssen aber präzise Tabellenwerte herangezogen werden.
Bei Verwendung in der Dampfphase wird beim Verbraucher die Kondensationswärme frei. Diese liegt bei bis zu 2260 kJ/kg, nimmt aber mit zunehmender Temperatur, bzw. zunehmendem Druck, ab. Bei 200 °C und Umgebungsdruck beträgt sie nur noch 1938 kJ/kg, bis sie bei Erreichen der kritischen Temperatur Null wird, weil dort keine Verdampfung mehr auftritt sondern der Übergang zwischen Flüssigphase und Dampfphase im Prinzip nicht mehr stattfindet. Die kritische Temperatur beträgt 374 °C bei einem Druck von dann 221,29 bar.
Die Verwendung von überhitztem Dampf als Wärmeträger ist nicht sinnvoll. Bei der Abkühlung ohne Kondensation würde nur wenig Wärme übertragen. Es entspräche der Verwendung von Heißgasen als Wärmeträger: geringer Wärmeinhalt pro Volumen selbst bei höheren Drücken und sehr ungünstigen Übertragungseigenschaften wegen sich ausbildenden isolierenden Grenzschichten.
Zum Vergleich:
Luft hat einen cp-Wert von nur 1,0 kJ/kgK bei sehr großem spezifischem Volumen.
Stahl liegt bei etwa 0,486 kJ/kgK.
Natrium liegt bei 1,2 kJ/kgK (Natrium wird für Wärmeübertragungszwecke im sehr hohen Temperaturbereich von 600 °C tatsächlich eingesetzt und ist dann dünnflüssig wie Wasser, mit welchem es aber nicht in Kontakt kommen sollte.).
Um es vorweg zu nehmen: Die spezifische Wärmekapazitäten von Thermalölen liegen bei 2,7 kJ/kgK unter einer typischen Einsatztemperatur von etwa 270 °C und etwa 30 % höherem spezifischen Volumen im Vergleich zu Wasser. Damit ergibt sich recht genau 50 % des Wärmeinhaltes bei gleichem Volumen.
Thermische Stabilität von Wasser
Wasser ist auch unter hohen Temperaturen stabil. Es zerfällt nicht bei Überhitzung, und es altert nicht. Ferner ist es unempfindlich gegen Oxidation, nimmt aber Gase und Minerale auf, was störend sein kann.
Etwas ungünstig ist die Eigenschaft von Wasser bei niedrigen Temperaturen einzufrieren und dabei das Volumen zu vergrößern (Wasser ist der einzige Stoff mit dieser Eigenschaft!), was zum Zerplatzen von Leitungen und Geräten führen kann. Dem kann man aber mit Zusätzen oder meist einfachen Maßnahmen entgegenwirken.
Wirtschaftliche Förderbarkeit
Wasser ist niederviskos und deshalb wirtschaftlich transportierbar. Die Reibungsverluste in Rohrleitungen sind gering.
Bei Verwendung in der Dampfphase sind Kosten für die Umwälzung noch geringer. Aber auch Dampfleitungen haben Verluste. Hier ist besonders auf eine sehr gute Isolierung zu achten, da Dampf bei Kondensation auf der Innenseite keine isolierende Grenzschicht aufbaut. Sich bildendes Kondensat kann Schäden verursachen und muss laufend entfernt werden. Damit sind natürlich ebenfalls Kosten verbunden.
Bei der Auslegung der Förderleitungen kommt es aber zu den ersten Einschränkungen: mit zunehmender Temperatur baut sich schnell ein hoher Dampfdruck auf. Kosten für Rohrleitungen und Armaturen werden schnell relevant oder stoßen sogar an unüberwindliche Grenzen. Für Beheizungsanlagen kann man davon ausgehen, dass der Druckbereich PN 40 eine wirtschaftliche Grenze darstellt. Darüber schnellen Preise für Armaturen wegen aufwendiger Ausführung unmittelbar hoch.
Wärmeübergangseigenschaften
Wasser hat sehr günstige Wärmeübergangseigenschaften. Wird in den Erhitzern Dampf generiert und an den Verbrauchern kondensiert, dann werden so hohe Wärmeübergangskoeffizienten erreicht, dass man den dampfseitigen (α innen) bei der Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten oft vernachlässigen kann.
Beschaffungskosten
Wasser ist in beliebigen Mengen verfügbar. Allerdings können durchaus Kosten bei der Aufbereitung entstehen. Umlaufwasser in geschlossenen Kreisläufen stellt weniger ein Problem dar. Es bereitet sich gewissermaßen selbst auf. Kontinuierliches Nachspeisen, vor allem bei Dampfanlagen unvermeidlich, verursacht aber durchaus relevante Kosten für Enthärtung und Entgasung. Nachlässigkeiten bei der Überwachung können schnell zu Zerstörungen an Geräten führen.
Betriebsgefahren
Wasser ist umweltneutral. Leckagen sind völlig unbedenklich. (Sofern sie nicht in Bereichen geschehen, in denen Wasser Schaden anrichten kann.)
Gefahren treten aber mit zunehmender Temperatur auf. Der absolute Dampfdruck der Flüssigkeit steigt in etwa in der 4. Potenz mit der „Grad-Celsius-Temperatur“ an (Faustformel: Siedetemperatur = 4.Wurzel des absoluten Sattdampfdruckes mal 100.)! Während bei 110 °C gerade mal 0,5 bar Überdruck erreicht werden, liegen bei 140 °C schon etwa 3 bar an. Bei 160 °C sind dies 5,5 bar, bei 180 °C 9,5 bar und bei 200 °C 15 bar. Bei etwa 238 °C liegt die Anwendungsgrenze von PN40-Armaturen vor. Es werden dann 32 bar erreicht.
Man muss hier berücksichtigen: Bei Bersten eines Druckbehälters mit Flüssigkeiten unter hohem Dampfdruck verdampft ein Teil (≥ 15 %) der Flüssigkeit schlagartig und verdrängt ebenso plötzlich ein großes Volumen an Luft. Es entsteht eine Druckwelle, die Gebäude zerstören kann.
Aus diesem Grund müssen Anlagen für Betrieb mit Heißwasser oder Dampf mit einem Dampfdruck über 1 bar (0,5 bar) ganz besonderen Vorschriften genügen und durch geschultes Fachpersonal betrieben und überwacht werden (siehe hierzu auch TRD = Technische Regeln für Dampfkessel).
Genau diese Eigenschaft von Wasser, nämlich bei technisch bereits eher geringen Temperaturen hohe Dampfdrücke aufzubauen, führt zu schwer überwindbaren Einsatzgrenzen und zur Suche nach Alternativen.
Alternative zu Wasser: Wärmeträgeröl
Wärmeträgeröle kennen genau diese Druckprobleme nur in Grenzbereichen. Bis in Temperaturbereiche von 350 °C kann drucklos (d.h. ohne Dampfdruck, nicht aber ohne Pumpendruck!) gearbeitet werden. Aber selbst 400 °C sind bei technisch leicht beherrschbaren 10bar-Dampfdruck erreichbar.
Aus diesem Grund gibt es in den meisten Ländern keine besonderen Überwachungsvorschriften für Thermalöl-Wärmeübertragungsanlagen. Sie werden ähnlich behandelt wie drucklose Warmwasser-Heizungsanlagen.
Natürlich unterliegen auch hier die Geräte der Druckgeräterichtlinie. Die Prüf- und Überwachungsauflagen sind aber gering. Hersteller von Erhitzern dürfen weitestgehend sogar auf Sachverständigenprüfungen verzichten und Prüfzeugnisse selbst ausstellen.
Die oben bereits aufgeführte Anforderungsliste ergibt für Thermalöle folgende Ergebnisse:
Wärmespeicherung
Thermalöle haben auf das Volumen bezogen ziemlich genau die halbe Wärmespeicherfähigkeit von Wasser. Da aber die Temperatureinsatzgrenzen viel höher liegen, kann das oft durch eine höhere Temperaturspreizung zwischen Vorlauf und Rücklauf ausgeglichen werden. Es ergeben sich damit in etwa die gleichen Rohrleitungsdurchmesser wie bei Wasseranlagen.
Die Verwendung als Dampf ist bei höheren Temperaturen mit speziellen Ölen ebenfalls möglich. Dabei ist die Kondensationswärme zwar deutlich geringer als bei Wasser, dafür das spezifische Dampfgewicht erheblich höher. Auch hier entsprechen die Dimensionen der Dampfleitungen in etwa denen für Wasserdampf. Umstellungen von Heißwasser- oder Dampfbetrieb auf Thermoölbetrieb von Verbrauchern sind nicht selten unter Beibehaltung der Anschlussrohrleitungen möglich.
Thermische Stabilität
Thermalöle können durch Überhitzung durchaus zerstört werden. Preisgünstige Öle auf Mineralölbasis erlauben aber bereits Betriebstemperaturen bis etwa 300 °C bei Standzeiten von 10 Jahren und mehr. Hochwertige synthetische Öle erlauben Betriebstemperaturen bis 400 °C! Die Standzeiten sind dann gering, aber derartige Öle erlauben eine wirtschaftliche Regeneration, d.h. Abscheidung sich bildender Crackprodukte.
Es sind besondere Vorkehrungen zu treffen, dass das Öl nicht in Grenzschichten im Erhitzer überhitzt wird. Hierzu gibt es ausgereifte verlässliche Lösungen. Die wesentlichen Anforderungen regelt die DIN 4754.
Ferner ist zu beachten, dass die in Tabellen angegebene zulässige Vorlauftemperatur die Temperatur darstellt, bei der das Öl gerade mal 1 Jahr einsatzfähig bleibt. Gewisse Abstände müssen also eingehalten werden. Dabei verdoppelt sich die Lebensdauer pro 10 K Abstand zu dieser Temperatur nach unten.
Wirtschaftliche Förderbarkeit
Wie oben bereits angedeutet, liegen Umwälzmengen und Rohrleitungsgrößen in ähnlichen Bereichen wie bei Wasseranlagen. Ab 100 °C sind die meisten Öle sehr niederviskos. Der Kostenaufwand für Förderung ist damit in etwa gleich dem von Wasserkreisläufen.
Wärmeübergangseigenschaften
Auch hier liegen Öle in etwa im Bereich von Wasser. Der Umschlagpunkt von laminarer Strömung in den turbulenten Bereich erfolgt ein klein wenig später. Das muss bei der Auslegung von Heizflächen berücksichtigt werden.
Die Heizflächen von Erhitzern müssen auf das jeweilige Öl und die vorgesehene Umwälzmenge abgestimmt sein. Das schränkt die Verwendung von Serien-Erhitzerkonstruktionen deutlich ein.
Beschaffungskosten
Thermalöle sind in der Beschaffung teurer als Wasser. Kreisläufe sind grundsätzlich technisch dicht auszuführen. Aufbereitungskosten für Nachspeisung entstehen bei Thermoölanlagen nicht. Ferner schützen sie das Rohrleitungssystem wirksam vor Korrosion.
Übliche mineralische Öle verursachen im Allgemeinen in der Beschaffung keine relevanten Kostennachteile. Hochwertige synthetische Öle bei Einsatz im oberen Temperaturgrenzbereich sind im Gegensatz hierzu durchaus ein Faktor. Dort gibt es dann aber auch nur selten eine preisgünstigere Alternative
(Wärmeübertragungsanlagen mit flüssigen Metallen, Salzschmelzen oder Heißgasen sind erst bei noch höheren Temperaturen eine wirtschaftliche Alternative, bzw. unvermeidbare Notwendigkeit.).
Betriebsgefahren
Hier muss auf verschiedene möglich Gefahren hingewiesen werden:
Leckagen:
Diese sind unbedingt zu vermeiden, da Thermalöle (mit der Ausnahme von „Weißölen“) umweltbedenklich sind. Es sind besondere Maßnahmen zu ergreifen, die vor Leckagen schützen müssen und diese rechtzeitig erkennbar machen (besondere Wellendichtungen an Pumpen und Ventilen, Verwendung von Einschweißarmaturen, Auffang-Wannen, hochwertige Dichtmaterialien, besondere Isolierungsausführung an Flanschen).
Brandgefahren:
Thermalöle sind brennbar, aber - bedingt durch ihre höhere thermische Stabilität - schwerer entflammbar als übliche organische Öle. Große Gefahr besteht bei mit Öl durchtränkten Isolierstoffen. Diese zünden an der Luft von selbst.
Druck:
In den meisten Anlagen steht das Thermoöl nicht unter Dampfdruck, sondern nur unter Pumpendruck. Hoch liegende Ausdehnungsgefäße sind in einer Richtung absperrbar oder schnell entleerbar auszuführen. Damit kann im Gefahrenfall eine Anlage durch Pumpenausschaltung und Absperrung des Ausdehnungsvolumens sofort drucklos gemacht werden. Es kommt auch zu keiner Nachverdampfung bei Zerplatzen eines Druckgefäßes. Damit besteht hier nur eine geringe Gefährdung.
Bei Anlagen mit Thermoölen unter höherem Dampfdruck ergeben sich diese Vorteile nicht im vollen Umfang. Aber auch dann sind die üblichen Betriebsdrücke eher gering, und die Gefahr von Schäden an Druck führenden Geräten ist eher gering.
Wirtschaftliche Gegenüberstellung von Wasser und Wärmeträgeröl
Im Rahmen einer Studienarbeit hat die Fachhochschule für Technik in Mannheim vor einigen Jahren die Kosten für die Erstellung und den Betrieb von Wärmeerzeugungs- und Verteilanlagen mit Heißwasser, Dampf und Thermoöl gegenübergestellt. Dies natürlich in einem Temperaturbereich, in dem Wasser und Dampf als Alternative durchaus noch in Frage kommen und üblich sind: 120 bis 220 °C.
Hier zeigten sich Vorteile für Thermalölanlagen bereits ab Betriebstemperaturen von 160 °C, dies unter anderem wegen geringerem Überwachungsaufwand. Gerade bei kleineren Anlagen stellen sich diese Vorteile sehr früh ein. Daneben gibr es bereits Kleindampfanlagen, bei denen der Dampf indirekt über einen vorgeschalteten Thermalölkreis erzeugt wird. Auf diese Weise entfällt die Überwachungspflicht nach TRD 600 folgende. Indirekte Dampferzeuger, die mit Thermalöl beheizt werden, gelten ebenso wie Thermalölerhitzer als normale Druckbehälter.
Solche Gegenüberstellungen können aber kaum ohne fallbezogene Betrachtung gemacht werden. Es deutet aber vieles darauf hin, dass es neben technischen Notwendigkeiten ab einer gewissen Temperatur auch relevante wirtschaftliche Gesichtspunkte gibt, die für Thermoöl anstelle von Wasser sprechen. (Und es gibt eine große Verbreitung, die nur selten große Beachtung findet: elektrische Kleinradiatoren besitzen alle eine Thermoölfüllung. Eben wegen den o.g. Vorteilen.)
Auswahl des Wärmeträgers
Üblicherweise wird der zu den geringsten Kosten verfügbare Wärmeträger eingesetzt, der den technischen Anforderungen entspricht. Diese Anforderungen sind dabei so gut wie immer Temperaturbelastbarkeiten: die zulässige Vorlauftemperatur. Gewisse „Standardöle“ haben sich durchgesetzt und decken 80 % des Marktes ab. Sie sind von verschiedenen Herstellern erhältlich zu ähnlichen Preisen, haben keinen nennenswerten Unterschieden in den Einsatzdaten und sind sogar untereinander mischbar.
Bild 1 zeigt eine Liste mit beispielhaften Thermoölen und deren Anwendungsgrenzen.
Zu beachten sind:
- die Fließgrenze, unterhalb derer das Öl fest wird (ohne Volumenzunahme und
Auskristallisation, daher ohne Zerplatzungsgefahr für Geräte)
- eine Mindesttemperatur, bei der Anlagen problemlos gefüllt und entlüftet werden können.
Bei dieser Temperatur müssen die Anlagen auch „einschaltbar“ sein, d.h., ein Betrieb mit
geringer Erhitzerleistung bei reduzierter Strömung muss möglich sein.
- eine Mindestbetriebstemperatur, bei der ein wirtschaftlicher Betrieb möglich wird.
- eine maximale Vorlauftemperatur, bei der das Öl eine definierte Standzeit von 1 Jahr
aufweist (aber wegen der reduzierten Rücklauftemperatur bereits 2 Jahre in Anlagen
betrieben werden könnte, bis ein Austausch bevorstände).
- eine Grenzschichttemperatur, die im Erhitzer nicht überschritten werden darf.
Für den Anwender sind vor allem die Mindestbetriebstemperatur und die maximale Vorlauftemperatur von Interesse. Die anderen Werte sind vor allem für den Anlagenbauer und den Erhitzerkonstrukteur von Bedeutung.
Zu unterscheiden ist zwischen:
- mineralische Thermoöle (aufbereitete Destillate aus Erdöl): Diese sind preisgünstig.
Bestimmte verbreitete Öle sind auch untereinander mischbar.
- synthetische Thermoöle: Hier handelt es sich um auf spezielle Anwendungszwecke
zugeschnittene synthetische organische Fluide, vor allem für die Anwendung im Hoch-
temperaturbereich.
- Silikonöle: Dabei handelt es sich um synthetische Thermoöle mit Kohlenstoff-Silizium-Ketten in
der Molekülstruktur, die besondere thermische Stabilität zeigen. Diese Öle sind nur wenig
verbreitet.
Ferner gibt es Sonderöle, wie zum Beispiel:
- Reinigungsöle, die Beläge in den Rohrleitungen auflösen können.
- Weißöle, die ungiftig sind, und in der Nahrungsmittelindustrie Verwendung finden.
Technische Ausführung von Thermalölanlagen
Besondere Anforderungen bestehen hinsichtlich der Dichtheit der Anlage und dem Schutz der Erhitzer gegen Überschreitung der Filmtemperatur in der Grenzschicht der Heizflächen. Hier muss ein DIN-konformer Nachweis (DIN 4754) der thermischen Belastung bei einer zu überwachenden Mindestströmung im Erhitzer erfolgen. Nur in runden Rohren ist dieser Nachweis mit überschaubarem Aufwand möglich. Aus diesem Grund weisen Thermalölerhitzer praktisch ausschließlich Heizflächen aus Rohren auf.
