Wasser als Wärmeträger

Bis 90 °C wird in Temperiergeräten fast ausschliesslich Wasser als Wärmeträger eingesetzt. Über 90 °C muss sich der Anwender entscheiden, ob er Wasser oder Wärmeträgeröl verwenden soll. In den letzten Jahren haben sich vermehrt Druckwassergeräte bis etwa 250 °C durchgesetzt. Der folgende Beitrag informiert über die Vor- und Nachteile von Wasser als Wärmeträger und erläutert die für einen erfolgreichen Einsatz erforderlichen Massnahmen.

Die sehr guten wärmetechnischen Eigenschaften zeichnen Wasser als Wärmeträger aus. So ist die Wärmekapazität, also die Eigenschaft, wie viel Wärmeenergie ein Wärmeträger transportieren kann, bei Wasser etwa doppelt so hoch wie bei Wärmeträgerölen. Dazu kommt die ebenfalls mindestens doppelt so hohe Wärmeübergangszahl bei Wasser. Diese ist ein Mass für den Übergang der Wärmeenergie von Wandungen (z. B. Temperierkanalbohrungen).

Ein weiterer Vorteil von Wasser ist die geringe Viskosität, die im Gegensatz zu Wärmeträgerölen im gesamten Einsatzbereich annähernd konstant bleibt. Hinzu kommt der ökologische Vorteil: bezüglich Handhabung und Entsorgung ist Wasser unproblematisch. Oft spielt auch der Kostenfaktor eine grosse Rolle.

Ein weiterer Vorteil von Wasser ist seine kleinere Ausdehnung. Dieser Vorteil kommt vor allem bei Verbrauchern mit grossem Wärmeträgerinhalt zum Tragen. Beispiel: Werden 100 Liter Wasser von 20 auf 140 °C erwärmt, nimmt das Volumen um ca. 7,4 Liter zu; bei Öl sind es dagegen ca. 10,2 Liter. Bei Ölgeräten ist deshalb wegen der grösseren Volumenzunahme auch ein grösseres Ausdehnungsgefäss erforderlich.

Weitere positive Eigenschaften: Wasser verkokt nicht. Dieser Vorteil ermöglicht den Bau von Temperiergeräten mit relativ hohen spezifischen Heizleistungen, d. h. von kleineren und preisgünstigeren Geräten. Nicht zuletzt hat Wasser den Vorteil, dass es nicht brennbar ist.

Diese vielen Vorteile haben dazu geführt, dass sich der Einsatz von Wasser als Wärmeträger immer mehr durchsetzt.

Ein Grund, warum manche Anwender keine Druckwassergeräte einsetzen, ist die Sicherheit. Bei einer Betriebstemperatur von 250 °C beträgt der Systemdruck mehr als 38 bar. Der Druck im Vorlauf kann dann durchaus 50 bar betragen, da sich der Pumpendruck (abhängig vom angeschlossenen Verbraucher) zum Systemdruck addiert. Es ist daher wichtig, geeignete Schläuche und Verschraubungen einzusetzen und den Temperierkreislauf einmal täglich zu kontrollieren.

Sind diese Bedingungen erfüllt, ist die Sicherheit kein Argument mehr, um auf Wasser als Wärmeträger zu verzichten.

Bei Verbrauchern, die nur einen geringen Druck zulassen (z. B. Behälter mit Doppelmantel) muss bei höheren Temperaturen auf Wasser als Wärmeträger verzichtet werden, da oft schon der Systemdruck allein den zulässigen Druck überschreitet. In diesem Fall bleibt keine andere Wahl, als Wärmeträgeröl einzusetzen. Aufgrund der erwähnten grossen Vorteile drängt sich Wasser als Wärmeträger geradezu auf. Der folgende Punkt muss jedoch berücksichtigt werden: Der Einsatz von Wasser ist in der Regel nur bis ca. 60 °C völlig problemlos.

Mit steigenden Temperaturen können die in Abschnitt 2 erwähnten Probleme auftreten. Daher begrenzen die meisten Hersteller von Temperiergeräten die maximale Vorlauftemperatur auf etwa 200 °C, vereinzelt gibt es aber auch Geräte bis 250 °C. Diese Temperatur ergibt im Gerät einen sehr hohen Systemdruck (ohne zusätzlichen Pumpendruck) von rund 40 bar. Dieser Wert ist bezüglich Sicherheit nicht ganz unproblematisch. Dazu kommt, dass sich das Wasser bei so hohen Temperaturen anders verhält als bei 60 °C. Dieser Tatsache ist sich der Anwender oft nicht bewusst.

So lange Trinkwasser als Wärmeträger im Temperierkreislauf und für die Kühlung der Temperiergeräte verwendet wurde, traten nur selten Probleme wie z. B. Korrosion auf. Ein Grund waren früher auch die relativ niedrigen Betriebstemperaturen der Geräte. Mit dem Auftreten von hochwertigen Kunststoffen wurden jedoch höhere Formtemperaturen erforderlich, was zu einer Zunahme von Problemen führte.

Da es sich aus Kosten- und Umweltschutzgründen kaum mehr ein Betrieb leisten kann, Trinkwasser zu verwenden, werden Kühlwassersysteme installiert, wobei die anfallende Wärme oft über Kühltürme abgeführt wird. Das Kreislaufwasser wird in der Regel behandelt und die meisten Anwender sind dann überzeugt, dass die Qualität des Wassers den Anforderungen mehr als genügt. Dies mag für Temperaturen bis etwa 40 °C, für die das Kühlwasser in erster Linie verwendet wird, zutreffen.

Das Kreislaufwasser wird jedoch nicht nur zur Kühlung der Temperiergeräte, sondern auch als Umlaufmedium eingesetzt. Diese «Doppelverwendung» des Wassers  führt zu einem Problem:

Das für die Verwendung als Kühlwasser behandelte Wasser wird nun auch für Temperaturen bis zu 180 °C oder noch höher eingesetzt. Dafür ist es aber in der Regel nicht geeignet.
Um die nachstehend erwähnten Probleme zu vermeiden, muss das als Umlaufmedium eingesetzte Wasser bestimmte Bedingungen wie folgt  erfüllen:

Gesamthärte4–18 °dH
Karbonathärte2–12 °dH
pH-Wert7–9 KKG
Leitwertmax. 1000 µS/cm

 

Am besten lässt sich die Qualität des Wassers durch das sogenannte Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht (KKG) bestimmen. Wasser, das sich im Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht befindet (dieses wird über den pH-Wert gesteuert), ist als Wärmeträger in jedem Fall gut geeignet, unabhängig davon, ob es sich um weiches oder mittelhartes Wasser handelt.

Leider bedeutet die Einhaltung dieser Werte noch nicht, dass damit alle Probleme gelöst sind. So verdunstet das Wasser bei Geräten mit «Badbeheizung» vor allem bei Temperaturen von etwa 90 °C sehr stark. Es geht dabei reines Wasser in Form von Wasserdampf verloren. Sämtliche Inhaltsstoffe bleiben aber im Kreislauf. Nachgefüllt wird jedoch wieder Wasser aus dem Kühlkreislauf, sodass es nach einiger Zeit zu einer Eindickung kommt. Der Grad der Eindickung lässt sich am einfachsten durch eine Leitwertmessung bestimmen.

Beispiel: Wenn das Nachfüllwasser (aus dem Kühlsystem) einen Leitwert von 500 µS/cm und das Wasser im Temperierkreislauf 1000 µS/cm aufweist, liegt eine zweifache Eindickung vor. Regel: überschreitet der Leitwert 1500 µS/cm, soll das Wasser ausgetauscht werden. Durch die Eindickung erhöht sich auch die Härte. Hartes Wasser ist die Ursache der Verkalkung von Rohrleitungen, Temperierkanälen und vor allem von Heizelementen im Temperiergerät. Da in der Heizphase die Oberflächentemperatur der Elemente sehr hoch ist, bildet sich Wasserstein und über 100 °C Kesselstein.

Beide Arten von Ablagerungen sind sehr hart und nahezu unlöslich. Die Ablagerungen bilden eine Isolierschicht. Dadurch wird der Wärmeübergang zwischen Heizelement und zirkulierendem Wasser stark behindert.
Dies führt zu einer starken Überhitzung der Heizelemente, die bis zur Zerstörung führen kann. Die Verkalkung der Temperierkanäle behindert zudem den Wärmeaustausch und den Durchfluss, sodass die optimale Temperierung des Verbrauchers nicht mehr gewährleistet ist.

Eine hohe Eindickung kann zu Salzanreicherung und dadurch zu Korrosion führen. Zu Korrosionserscheinungen kann es aber auch durch Sauerstoff oder Kohlensäure im Wasser kommen. Sauerstoff bewirkt eine örtliche Kraterbildung und lochförmige Korrosion, Kohlensäure eine gleichmässige Abtragung.

Materialzerstörung von Baukomponenten (z. B. Laufrad einer Pumpe) kann auch durch Kavitation, hervorgerufen durch sogenannte Mikrowasserschläge (Microjets), entstehen. Es handelt sich um Flüssigkeitsstrahlen, die mit Druckspitzen bis zu 100000 bar (105  bar)  auf  das  Material treffen.

Ein sehr wichtiges Beurteilungskriterium von Wasser ist der pH-Wert. Dieser bestimmt das Korrosionsverhalten bei verschiedenen Materialien. Ein guter Kompromiss ist ein pH-Wert zwischen 8,5 und 9,5. Für Stahl wäre zwar ein höherer Wert von Vorteil, allerdings wird dann Kupfer angegriffen. Wird Aluminium verwendet, muss der pH-Wert reduziert werden, da die Korrosionsbeständigkeit von Al nur zwischen 5 und 8,3 sichergestellt ist.

Massnahmen des Geräteherstellers
Durch die Wahl von geeigneten Materialien und konstruktive Massnahmen können Temperiergeräte als wassertauglich hergestellt werden. Bezüglich Korrosionsbeständigkeit wäre Edelstahl für alle mit Wasser in Berührung kommenden Teile die beste Lösung. Aus Kostengründen beschränkt man sich beim Einsatz von Edelstahl in der Regel auf den Behälter. Für Pumpen, Rohrleitungen und Kühler werden andere rostfreie Materialien verwendet wie Messing, Bronze und Kupfer. In hochwertigen Druckwasser-Temperiergeräten kommen aber auch Pumpen aus Edelstahl mit Keramikwelle, Laufrad aus Peek und Lager aus SiC zum Einsatz.

Nicht nur die verwendeten Werkstoffe, sondern auch die Konstruktion der entsprechenden Bauteile hat einen erheblichen Einfluss auf die Lebensdauer eines Temperiergerätes. So lassen sich zum Beispiel Schäden infolge Kavitation durch konstruktive Maßnahmen des Geräteherstellers weitgehend vermeiden.

Massnahmen des Betreibers
Sehr oft ist der Betreiber der Ansicht, dass es ausreicht, das Gerät an den vorhandenen Kühlwasserkreislauf anzuschliessen und sich dann selbst zu überlassen. Aus den in Abschnitt 2 angeführten Gründen funktioniert das leider nur selten.
Da die Ursache der Probleme meistens das Wasser ist, welches als Umlaufmedium eingesetzt wird, muss auch hier angesetzt werden. In der Regel wird für die Behandlung des Kühlwassers ein externer Spezialist herangezogen. Erfahrungsgemäss geht dieser aber davon aus, dass das Wasser nur für Kühlzwecke bei entsprechend niedrigen Temperaturen eingesetzt wird.
Für den Spezialisten ist es für die richtige Behandlung des Wassers sehr wichtig zu wissen, dass das Kühlwasser auch als Umlaufmedium in Temperiergeräten mit entsprechend höherer Betriebstemperatur (> 40 °C) eingesetzt wird. Wie bereits erwähnt, erfordert eine höhere Temperatur eine andere Behandlung des Wassers.

Oft lässt sich aber aus verschiedenen Gründen die erforderliche Qualität des Kühlwassers nicht realisieren. In diesem Fall können die Temperiergeräte entweder von Hand befüllt werden oder es wird am Gerät eine separate Einspeisung für das zirkulierende Wasser im Temperierkreislauf montiert.

Das Kreislaufwasser des Betriebes wird dann nur zur Kühlung des Gerätes verwendet. Für die Befüllung wird speziell aufbereitetes Wasser eingesetzt, welches gezielt an die Anforderungen angepasst werden kann. Da es sich dabei um verhältnismässig geringe Wassermengen handelt, ist die Behandlung des Wassers im Vergleich zur Behandlung des gesamten Kühlwassers wesentlich kostengünstiger. Zudem ist es einfacher, eine geringe Wassermenge auf gleicher Qualität zu halten.

Falls sich die Qualität des Kühlkreislaufes nicht den Anforderungen anpassen lässt und auch kein separater Kreislauf für die Befüllung der Geräte möglich ist, bleibt nur noch die Behandlung des Wassers im Gerät selbst. Für diesen Zweck gibt es spezielle Korrosionsschutzmittel, die neben der Verhinderung der Korrosion noch eine Reihe weiterer Verbesserungen bewirken. Ein solches Produkt wird im folgenden Abschnitt beschrieben.

Es handelt sich um das Korrosionsschutzmittel RK93 der Firma Regloplas. Dieses Mittel hat folgende Breitbandwirkung: Auf den Wandungen und Oberflächen bildet sich ein gasundurchlässiger Film, der wie ein Dielektrikum (Isolation) wirkt. Metalle – auch Buntmetalle – können durch die im Wasser enthaltenen Stoffe nicht mehr angegriffen werden. Sauerstoffkorrosion (Lochfraß) wird verhindert und es können keine Ablagerungen mehr entstehen. Dieser Schutzfilm bleibt auch nach Ablassen des Wassers erhalten. Es wird daher auch Flugrost in den Kühlkanälen der Werkzeuge bei der Lagerung verhindert.

RK93 stabilisiert die Inhaltsstoffe des Kühlwassers, verhindert Ablagerungen an Rohrleitungen, Kühlkanälen und Heizelementen und verhindert das Auskristallisieren des Kalks. Bei Überschreitung der Tragfähigkeit des Wassers werden Kalk und andere Inhaltsstoffe als Schlamm ausgeschieden. Dieser kann durch Spülen mit Wasser leicht entfernt werden. Eine Kesselsteinbildung tritt nicht mehr auf.

RK93 verbessert den Wärmeübergang zur Form, beugt partieller Überhitzung vor und verlängert die Lebensdauer von Gerät und angeschlossenem Verbraucher. Die Verwendung von normalem Trinkwasser ist ohne spezielle Aufbereitung möglich. Deionisiertes (destilliertes)  Wasser kann ebenfalls verwendet werden. Wegen seiner Aggressivität ist es ohne Behandlung nämlich nicht zur Verwendung in Temperiergeräten geeignet. Andererseits hat es fast keine Inhaltsstoffe (Kalk, Salze), sodass es auch nicht zu Verkalkung und Ausscheidung von Schlamm kommt, wodurch die Kreisläufe sauber bleiben. Durch Beigabe von RK93 verliert das Wasser seine Aggressivität.

RK93 wurde speziell für den Einsatz in Temperiergeräten entwickelt. Es ist daher auch für hohe Temperaturen bis 180 °C geeignet und hat durch den Synergie-Effekt der Einzelkomponenten eine hervorragende Verfahrenswirkung.

Da das RK93 wie auch viele andere Korrosionsschutzmittel den pH-Wert  anheben, ist bei Aluminium Vorsicht geboten, da es nur bei einem pH-Wert zwischen 5 und 8,3 beständig ist. Sobald sich Aluminium im Kreislauf befindet, muss der pH-Wert überprüft werden. Ist dieser über 8,5, wird das Aluminium angegriffen. In diesem Fall muss die Dosierung des Korrosionsschutzmittels reduziert werden.

Wasser ist für Temperaturen bis etwa 250 °C als Wärmeträger wegen den erwähnten Vorteilen (wesentlich bessere Wärmeübertragungseigenschaften im Vergleich zu Öl, ökologisch unbedenklich, geringe Kosten) grundsätzlich zu bevorzugen. Demgegenüber muss sich der Anwender über die ebenfalls erwähnten möglichen Probleme im Klaren sein. Der entscheidende Punkt ist die Qualität des Wassers als Umlaufmedium im Temperierkreislauf. «Kühlwasserqualität» allein reicht nicht aus; das Wasser muss auch für den Einsatz bei den hohen Betriebstemperaturen der Temperiergeräte geeignet sein. Da der Gerätehersteller keinen direkten Einfluss nehmen kann, ist in erster Linie der Betreiber gefordert. Dieser muss dafür sorgen, dass geeignetes Wasser zur Verfügung steht. Der Gerätehersteller bzw. Lieferant wiederum ist daran interessiert, mit dem Betreiber eine optimale Lösung zu finden.