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Dokumentenidentifikation DE202006002289U1 14.06.2006
Titel Kälteträger
Anmelder Institut für Luft- und Kältetechnik gGmbH, 01309 Dresden, DE
Vertreter Kaufmann, S., Doz., Dr.-Ing., habil., Pat.-Anw., 01309 Dresden
DE-Aktenzeichen 202006002289
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 14.06.2006
Registration date 11.05.2006
Application date from patent application 14.02.2006
IPC-Hauptklasse C09K 5/10(2006.01)A, F, I, 20060214, B, H, DE

Beschreibung[de]

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.

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.

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.

Hinsichtlich anderer Eigenschaften wie Viskosität, Brennbarkeit, Giftigkeit, Umweltverträglichkeit und Kosten gelten die gleichen Kriterien wie für Kältemittel.

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.

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.

Zudem sind halogenierte Kohlenwasserstoffverbindungen als Kälteträger bekannt; aufgrund ihrer umweltschädlichen Eigenschaften ist jedoch inzwischen der Einsatz chlor- und bromhaltiger Verbindungen untersagt.

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.

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.

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.

Aus dem Stand der Technik sind keine Lösungen bekannt, in denen mit einem Zusatzstoff die Viskosität gezielt erniedrigt wird.

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.

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.

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.

Diese Aufgabe wir durch die Merkmale des Schutzanspruches 1 gelöst; zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Ansprüchen 2 bis 4 entnommen werden.

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.

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.

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.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.

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.

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.


Anspruch[de]
  1. Kälteträger für die indirekte Lebensmittelkühlung, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einer Mischung von Propylenglykol mit Ethylenglykoldiacetat besteht.
  2. Kälteträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Massenanteile von Propylenglykol zwischen 95 % und 80 % und die Massenanteile von Ethylenglykoldiacetat zwischen 5 % und 20 % betragen.
  3. Kälteträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einer Mischung von Propylenglykol mit Ethylenglykoldiacetat und n-Butanol besteht.
  4. Kälteträger nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Massenanteile von Propylenglykol zwischen 95 % und 80 % und die Massenanteile von Ethylenglykoldiacetat zwischen 4 % und 19 betragen und der Anteil von n-Butanol 1 % nicht übersteigt.
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