Wasser-Glykol-Gemisch im Wärmeübertrager: Was Frostschutz an Leistung und Auslegung ändert

Wie ein Wasser-Glykol-Gemisch Wärmeleistung, Volumenstrom und Druckverlust im Wärmeübertrager verändert und was das für Auslegung und Betrieb heißt.

Warum Wasser-Glykol die Wärmeübertragung verändert

Wird ein Wärmeübertrager statt mit reinem Wasser mit einem Wasser-Glykol-Gemisch betrieben, sinkt die Gefahr, dass der Kreislauf einfriert. Zugleich ändern sich aber wichtige Stoffwerte des Wärmeträgers, und das wirkt sich auf die übertragbare Leistung, die nötigen Volumenströme und den Druckverlust aus. Der Frostschutz gehört deshalb von Anfang an in die Auslegung und nicht erst in die Befüllung.

Wasser nimmt Wärme vergleichsweise gut auf und gibt sie ebenso gut wieder ab. Glykol verändert unter anderem die Wärmekapazität, die Wärmeleitfähigkeit und die Viskosität des Gemischs. Wie stark, hängt von der Glykolart, dem Mischungsverhältnis und der Temperatur ab. Die Eigenschaften lassen sich daher nur für einen bestimmten Betriebszustand sinnvoll beurteilen.

Geringere Wärmekapazität, größerer Durchfluss

Die übertragene Wärmeleistung hängt nicht nur von der Temperaturdifferenz ab, sondern auch davon, wie viel Wärmeträger pro Zeit durch den Apparat strömt und wie viel Wärme er aufnehmen kann. Hat das Gemisch eine niedrigere spezifische Wärmekapazität, kann für dieselbe Leistung ein größerer Massenstrom nötig sein, sofern die übrigen Bedingungen gleich bleiben.

Das stellt höhere Anforderungen an Pumpe, Leitungen und Regelung. Ob der vorhandene Durchfluss ausreicht, lässt sich nicht allein am Anteil des Frostschutzmittels ablesen. Entscheidend sind die tatsächliche Zusammensetzung des Gemischs, die Vor- und Rücklauftemperaturen und die geforderte Leistung.

Höhere Viskosität, andere Druckverluste

Wasser-Glykol-Gemische sind in der Regel zähflüssiger als Wasser, und bei niedrigen Temperaturen fällt das besonders ins Gewicht. Der Strömungswiderstand steigt, und auch die Strömungsform kann sich ändern, ob in den Kanälen eines Plattenapparats oder in den Rohren eines Rohrbündelwärmeübertragers. Davon sind der Druckverlust und der Wärmeübergang an den Oberflächen gleichermaßen betroffen.

Mehr Druckverlust bedeutet mehr Förderarbeit. Wird eine Anlage für Wasser geplant und später ohne neue Berechnung auf ein Glykolgemisch umgestellt, kann die vorhandene Pumpe zu schwach sein. Auch der Wärmeübertrager liefert dann womöglich weniger Leistung, weil er auf andere Stoffwerte ausgelegt war.

Wärmeübertrager mit Glykol richtig auslegen

Frostschutz und Wärmeübertragung müssen gemeinsam betrachtet werden. Mehr Frostschutz ist nicht automatisch besser: Mit steigendem Glykolanteil verschieben sich die Stoffwerte weiter, was Leistung und Druckverlust ungünstig beeinflussen kann. Ziel ist ein Gemisch, das zur Anlage passt, nicht ein möglichst hoher Anteil.

Temperaturbereich und Frostschutz festlegen

Ausgangspunkt ist die niedrigste Temperatur, die das Medium im Betrieb oder im Stillstand erreichen kann. Typisch ist das bei Kreisen, die außen liegen oder Kälte ausgesetzt sind, etwa bei einem Wärmeübertrager in der Solarthermie. Dabei ist zu unterscheiden, ob nur das Einfrieren verhindert werden soll oder ob das System auch bei tieferen Temperaturen noch arbeiten muss. Diese beiden Anforderungen sind nicht dasselbe.

Die nötige Konzentration ergibt sich aus den Angaben zum jeweiligen Glykol und den tatsächlichen Betriebsbedingungen. Dazu gehören auch Temperaturschwankungen und die Frage, ob das Gemisch in allen Anlagenteilen gleichmäßig zirkuliert. Eine pauschale Mischungsempfehlung kann das nicht ersetzen.

Wärmeübertrager, Pumpe und Regelung gemeinsam bewerten

Für die Auslegung werden die Stoffwerte des Gemischs bei den maßgeblichen Temperaturen gebraucht. Auf ihnen beruhen die Berechnungen zu Volumenstrom, Übertragungsfläche und Druckverlust. Ebenso fließen die Temperaturdifferenz zwischen den Medien und die zulässigen Druckverluste auf beiden Seiten ein; wie diese Größen zusammenhängen, beschreibt der Beitrag zur Auslegung und Berechnung.

Klären Sie außerdem, ob Pumpe und Regelventile den nötigen Durchfluss unter den veränderten Strömungsbedingungen erreichen. Bei bestehenden Anlagen kann es nötig sein, die Regelung anzupassen. Eine stärkere Pumpe allein löst das Problem nicht zwingend: Sie braucht zusätzliche Energie und ersetzt keine Nachrechnung des Wärmeübertragers.

Werkstoffe und Zustand der Flüssigkeit

Glykolgemische können Korrosionsschutzmittel und weitere Zusätze enthalten. Sie müssen mit Metallen, Dichtungen und den übrigen Werkstoffen der Anlage verträglich sein. Maßgeblich sind die Vorgaben der beteiligten Komponenten und die Angaben zum verwendeten Fluid. Passen die Stoffe nicht zusammen, drohen Schäden oder Ablagerungen.

Auch der Zustand des Gemischs zählt. Verunreinigungen, eingetragene Luft oder eine veränderte Konzentration können die Funktion beeinträchtigen. Nach dem Befüllen muss die Anlage deshalb fachgerecht entlüftet werden. Bei Wartung oder Nachfüllung ist zu klären, ob das neue Fluid zur vorhandenen Mischung passt; verschiedene Produkte sollten nicht ohne Freigabe miteinander gemischt werden.

Betrieb und Wartung

Im Betrieb lohnt es sich, die wichtigen Betriebswerte im Blick zu behalten, etwa Temperaturen, Durchfluss und Druckverlust. Auffällige Veränderungen können auf Luft im System, Verschmutzung, ein gealtertes Gemisch oder ein hydraulisches Problem hindeuten. Aus einzelnen Messwerten lässt sich die Ursache allerdings selten eindeutig ablesen.

Konzentration und Zustand des Wärmeträgers sollten in angemessenen Abständen fachgerecht kontrolliert werden. Wie das geschieht und welche Kriterien gelten, richtet sich nach Fluid, Anlage und Herstellerangaben. Im Zweifel gehört die Beurteilung in die Hände einer Fachperson, statt die Mischung nach Gefühl zu ergänzen.

Wer von Wasser auf ein Wasser-Glykol-Gemisch umstellt, sollte die Auslegung neu bewerten lassen, und zwar nicht nur die des Wärmeübertragers, sondern die des gesamten Kreislaufs mit Pumpe, Leitungen, Armaturen und Regelung. Sonst ist der Frostschutz zwar gewährleistet, die geforderte Wärmeleistung aber nicht mehr.

Fazit

Ein Wasser-Glykol-Gemisch schützt vor Frost, verändert aber zugleich Wärmeleistung, Strömungswiderstand und die Anforderungen an die Komponenten. Eine passende Auslegung berücksichtigt Konzentration und Temperaturbereich ebenso wie Wärmeübertrager, Pumpe, Werkstoffe und Regelung. Weitere Beiträge zu Bauarten, Auslegung und Anwendungen bündelt die Rubrik Wärmeübertragung.

Häufige Fragen

Eignet sich jedes Glykolgemisch für Anlagen mit Trinkwasserbezug?

Nein. Ob ein Wärmeträger infrage kommt, hängt von der Anwendung, vom eingesetzten Fluid und davon ab, wie die Kreisläufe technisch voneinander getrennt sind. Welche Anforderungen für die konkrete Anlage gelten, sollte vor der Planung fachlich geklärt werden.

Kann ein gebrauchtes Wasser-Glykol-Gemisch wiederverwendet werden?

Das hängt von Zusammensetzung, Alter und möglichen Verunreinigungen ab. Vor einer Wiederverwendung sollte eine Fachperson den Zustand beurteilen, denn ein gealtertes oder verunreinigtes Gemisch kann Korrosionsschutz und Wärmeübertragung beeinträchtigen.

Wie wird ein ausgetauschtes Glykolgemisch entsorgt?

Es sollte nicht einfach in den Ausguss oder in die Umwelt gelangen. Wie es zu entsorgen ist, ergibt sich aus den Angaben zum konkreten Fluid und den örtlich geltenden Vorgaben; ein geeigneter Entsorgungsbetrieb kann das klären.