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Die
Erfindung betrifft einen Kälteträger, ausgeführt als
Gemisch, für
die indirekte Lebensmittelkühlung,
dessen Anwendung sich besonders dann anbietet, wenn es darum geht,
die Viskosität
des Gemisches zu verringern, ohne den Gefrierpunkt heraufzusetzen.
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Bekanntlich
sind Kälteträgerstoffe
zum Übertragen,
Transportieren und Verteilen von Kälte. Da das direkte Abkühlen von
Stoffen, namentlich Lebensmittel, durch Verdampfung eines Kältemittels nicht
möglich
ist, werden Kälteträger zum
Transport der Kälte
vom Erzeuger zum Verbraucher eingesetzt, obgleich diese Verfahrensweise
thermodynamisch von Nachteil ist, da eine zweite Wärmeübertragung nötig ist
und höhere
Verluste entstehen.
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Die
wichtigsten Anforderungen an Kälteträger ergeben
sich aus physikalischen, chemischen und betrieblichen Aspekten,
sodass insbesondere folgende Forderungen stehen:
- – der Gefrierpunkt
muss unter der niedrigsten Temperatur im Verdampfer liegen, wobei
in der Praxis Sicherheitsspannen von 3 bis 8 K vorgesehen werden;
- – die
spezifische Wärmekapazität soll möglichst groß sein soll,
damit die umlaufende Flüssigkeitsmenge
klein gehalten werden kann;
- – der
Dampfdruck soll möglichst
niedrig sein, um bei offenen Systemen wenig Verdunstungsverluste
hervorzurufen bzw. damit bei Stillstand und Erwärmung von geschlossenen Systemen
der Systemdruck im Kreislauf niedrig bleibt.
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Hinsichtlich
anderer Eigenschaften wie Viskosität, Brennbarkeit, Giftigkeit,
Umweltverträglichkeit
und Kosten gelten die gleichen Kriterien wie für Kältemittel.
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Es
ist bekannt, dass Wasser der kostengünstigste Kälteträger in Temperaturbereichen über 0°C ist und
sich zudem durch eine Reihe sehr günstiger Eigenschaften wie hohe
spezifische Wärmekapazität, niedrige
Viskosität
und gute Wärmeleitfähigkeit auszeichnet;
zudem ist Wasser ungiftig und ökologisch unbedenklich.
Es wird deshalb häufig
für die Klimatisierung
und in der Lebensmittelindustrie zur Kälteübertragung eingesetzt.
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Herausragende
Kälteträger sind
Solen, d. h. wässrige
Lösungen
von Salzen. Durch die Zugabe von Salzen in Wasser wird der Gefrierpunkt
der entstehenden Lösung
gesenkt; die tiefste Gefriertemperatur wird am eutektischen Punkt
erreicht, bei weiterer Salzzugabe steigt der Gefrierpunkt wieder.
Handelsübliche
Kühlsolen
sind meistens Lösungen
von Natrium-, Magnesium- und/oder Calciumchlorid, Kaliumcarbonat,
Alkoholen wie Methanol, Ethanol, Ethylenglykol, 1,2-Propylenglykol
und Glycerin. Durch Zugabe weiter Zusätze wird das Korrosionsverhalten
verbessert, damit verfügen
Solen über ähnlich vorteilhafte
Eigenschaften wie Wasser.
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Zudem
sind halogenierte Kohlenwasserstoffverbindungen als Kälteträger bekannt;
aufgrund ihrer umweltschädlichen
Eigenschaften ist jedoch inzwischen der Einsatz chlor- und bromhaltiger
Verbindungen untersagt.
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Des
Weiteren werden Silikonöle
aufgrund ihrer günstigen
Eigenschaften (ungiftig, nicht korrosiv, sehr tiefer Gefrierpunkt
bei niedrigviskosen Typen) ebenfalls als Kälteträger eingesetzt. Da sie physiologisch
völlig
inert sind, sind sie besonders für
den Einsatz in der Lebensmittelindustrie geeignet. Nachteilig ist
allerdings, dass Silikonöle
teuer sind, einen niedrigen Flammpunkt und nur kleine spezifische
Wärmekapazitäten haben.
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HFKW-Kälteanlagen
mit Direktverdampfung zur Kühlung
von Kühlgut
weisen durch die großen Mengen
an erforderlichem Kältemittel
ein großes
direktes Treibhauspotential auf, welches durch die Leckagerate und
die Art des Kältemittels
bestimmt wird. Bei indirekten Systemen wird die Kälteleistung
der Kälteanlage über einen
Kälteträger an das
Kühlgut transportiert.
Die Kälteanlage
kann dabei getrennt von den zu kühlenden
Objekten untergebracht sein. Damit kann als Kältemittel vorzugsweise Ammoniak eingesetzt
werden, das ein Ozonabbaupotential (ODP) und ein Treibhauspotential
(GWP) von Null hat. Ein weiterer Vorteil indirekter Systeme besteht darin,
dass die Kältemittelfüllmenge
im Vergleich zu Anlagen mit Direktverdampfung um bis zu 90 % reduziert
werden kann. Nachteile indirekter Systeme sind die zusätzlichen
Installationskosten für
Wärmetauscher
und Pumpen. Die erforderliche Energie für die Zirkulation des Kälteträgers erhöht die Betriebskosten.
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Derzeit
werden am häufigsten
Kälteträger auf
der Basis Glykol/Wasser oder Lösungen
organischer Salze, wie z.B. Kaliumformiat oder Kaliumacetat eingesetzt.
Diese Salze sind lebensmittelunbedenklich. Die Viskositäten sind
verhältnismäßig gering.
Nachteilig sind die höheren
Anforderungen an die Installation der kältetechnischen Systeme. Aus Kostengründen werden
in Kälteanlagen
selten einheitliche Werkstoffe eingesetzt. Bei Mischinstallationen
sind Solen auf der Basis organischer Salze korrosiver als Glykolsolen.
Die Aggressivität
dieser Solen wird nicht voll beherrscht, wie eine Reihe von Schadensfällen in
den letzten Jahren belegt. Für
die verschiedenen Kälteträger wurden
Inhibitorsysteme entwickelt, die die Korrosionswirkung wesentlich
verringern. Dennoch ist bei Salz-Solen z. B. Weichlot nicht einsetzbar.
Hier sind die Glykolsolen aus Ethylenglykol oder Propylenglykol
mit Wasser im Vorteil. Nachteilig ist jedoch die hohe Viskosität der Glykolsolen.
Durch die Zumischung von Wasser wird die Viskosität verringert.
Erhöhter
Frostschutz ist aber immer verbunden mit einer Erhöhung der
Viskosität. Damit
liegt die Zielstellung nahe, die Viskosität von Glykolsolen nicht nur
mit Wasser zu verringern. Eine niedrigere Viskosität bewirkt
neben einem kleineren Druckverlust auch einen besseren Wärmeübergang.
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Aus
dem Stand der Technik sind keine Lösungen bekannt, in denen mit
einem Zusatzstoff die Viskosität
gezielt erniedrigt wird.
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Aus
US 6165380 ist die Verwendung
des Betains für
den Einsatz in Wärmeträgerflüssigkeiten
zu entnehmen. In
EP
0352511 B1 ist ein Kälteträger beschrieben,
der aus einem Gemisch aus Polyorganosiloxanen besteht. Dem Gemisch
werden vorschlagsgemäß niedrigviskose
Silikone entzogen, damit der Flammpunkt über 55°C ansteigt. Des Weiteren ist
in
EP 0370316 B1 ein
Kälteträgeröl auf Siloxanbasis
offenbart; die Erfindung betrifft salzfreie, alkoholfreie, halogenkohlenwasserstoff-
und halogenkohlenstofffreie Kälteträgeröle niedriger
Viskosität bei
tiefen Temperaturen, die aus Gemischen von Hexamethyldisiloxan und/oder
Octamethyltrisiloxan und/oder linearem Decamethyltetrasiloxan und/oder Octamethylcyclotetrasiloxan
und/oder Decamethylcyclopentasiloxan bestehen.
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Eine
weitere Möglichkeit,
Kälteträger energetisch
günstiger
zu transportieren, besteht darin, die Oberflächenspannung des Fluids herabzusetzen. Das
kann bekannterweise mit Tensiden erfolgen, so ist eine Emulsion
dampfflüchtiger
Alkylamine bekannt (www.reicon.de). Die Emulsion ist relativ unbedenklich,
sie ist deshalb mengenmäßig bis
3 mg/l in der Lebensmittelindustrie zugelassen. Mit Glykol ist eine gute
Verträglichkeit
gewährleistet;
allerdings sind Ergebnisse über
die Wirkung in Kälteträgerkreisläufen bislang
nicht bekannt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es durch Zugabe eines Zusatzstoffes die Viskosität des Gemisches
zu verringern, ohne den Gefrierpunkt heraufzusetzen, wie es durch
den Zusatz von Wasser als Viskositätserniedriger auftreten würde. Dabei
soll der Zusatzstoff ungiftig sein.
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Diese
Aufgabe wir durch die Merkmale des Schutzanspruches 1 gelöst; zweckmäßige Ausgestaltungen
der Erfindung können
den Ansprüchen
2 bis 4 entnommen werden.
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Nach
Maßgabe
der Erfindung wird also anstelle von Propylenglykol der Propylenglykol-Wasser-Mischung
ein Glykolacetat zugesetzt, das sich sowohl im Propylenglykol als
auch im Wasser löst. Der
Zusatzstoff Ethylenglykoldiacetat ist als nicht toxisch eingestuft,
sodass die Sole auch für
den Lebensmittelsektor eingesetzt werden kann. Der Zusatzstoff wurde
so ausgewählt,
dass die übrigen
positiven wärmetechnischen,
sicherheitsrelevanten und ökologischen
Eigenschaften des Propylenglykols nicht nachteilig verändert werden.
Eine Zumischung von geringen Mengen n-Butanol bewirkt als grenzflächenaktive
Substanz noch eine zusätzliche
Viskositätserniedrigung.
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Wesentlich
ist, dass nicht allein aus der Viskosität des Zusatzstoffes sich auf
die mögliche
Viskositätserniedrigung
schließen
lässt,
da auch Stoffe mit hoher Eigenviskosität eine Verringerung der Viskosität und des
Gefrierpunktes bewirken können.
Auf der anderen Seite tritt bei Mischungen in Abhängigkeit der
Molekülstruktur
eine Volumenkontraktion auf, die die theoretisch berechenbare Viskositätserniedrigung
nicht bestätigt.
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Die
Vorteile der Erfindung sind – neben
dem, dass die Viskosität
verringert wird, ohne dass der Gefrierpunkt erhöht wird – dass durch die Zusätze die positiven
wärmetechnischen,
sicherheitsrelevanten und ökologischen
Eigenschaften des Propylenglykols nicht nachteilig verändert werden.
Eine niedrigere Viskosität
bewirkt neben einem kleineren Druckverlust auch einen besseren Wärmeübergang
und damit energetische Vorteile.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
ist eine Mischung von 83 % Propylenglykol und 17 % Ethylenglykoldiacetat.
Diese Ausgangslösung
kann durch Zugabe von Wasser auf den erforderlichen Frostschutz eingestellt
werden.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist eine Mischung von 83 % Propylenglykol, 16 % Ethylenglykoldiacetat
und 1 % n-Butanol. Für
eine Kälteträgersole,
die damit auf einen Frostschutz von –20°C eingestellt wird, können bei –10°C durchschnittliche
Viskositätserniedrigungen
von 21 % und bei –20°C von 29
% im Vergleich zu einer Propylenglykol-Wasser-Mischung erreicht
werden.