Kühlmittel

Kühlmittel sind gasförmige, flüssige oder feste Stoffe oder Stoffgemische, die zum Abtransport von Wärme eingesetzt werden. Der Unterschied zum Kältemittel ist, dass ein Kältemittel in einem Kältezyklus dies entgegen einem Temperaturgradienten tun kann, so dass die Umgebungstemperatur sogar höher sein darf als die Temperatur des zu kühlenden Gegenstandes, während ein Kühlmittel lediglich in der Lage ist, in einem Kühlzyklus die Enthalpie entlang des Temperaturgradienten zu einer Stelle niedrigerer Temperatur zu transportieren.

Der Oberbegriff Wärmeträger umfasst neben Kühlmittel auch Heizmittel (Heizmedium) bzw. Kälteträger; die Zuordnung ist nicht immer eindeutig und wird nach Anwendungszweck bzw. Temperaturbereich getroffen. In technologischen Prozessen wird vorwiegend Wasser, Luft oder Thermalöl als Kühlmittel bzw. Wärmeträger verwendet. Die ökonomisch sinnvoll überbrückbaren Temperaturdifferenzen zwischen Umgebung und Kühlmittel betragen bei Luftkühlung ca. 40 Kelvin, bei Wasserkühlung ca. 10 Kelvin.

Kühlmittel-Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur lassen sich nur durch mit geeigneten Kältemitteln betriebenen Kälteprozesse, auch Linksprozesse genannt, erreichen. Mit Kältemischungen lassen sich umgebungsunabhängige Kühlmittel-Temperaturen von bis zu unter −50 °C erreichen. Mit Trockeneis sogar bis zu −100 °C (zusammen mit Ether).

Je nach Anwendung kommen aber auch andere Stoffe wie flüssige Metalle (Natrium), Salzlösungen oder verflüssigte Gase (Wasserstoff, Helium) zum Einsatz.

Bei der spanenden Metallbearbeitung werden Kühlschmierstoffe eingesetzt, die eine zu starke Erhitzung des Werkzeuges oder des zu bearbeitenden Materials durch die Reibung verhindern.

Kühlflüssigkeiten

Kühlflüssigkeiten können das Kühlgut direkt oder über einen Wärmetauscher kühlen.

• direkter Kontakt, z. B.:
  • Dusche im Strandbad, der Körper kann auch an der Oberfläche 37 °C erreichen, mit Wasser aus der Dusche von 20 °C Temperatur wird die Haut gut spürbar gekühlt, dort wo das Wasser frisch auftritt bald auf nur wenig über der ursprünglichen Wassertemperatur. Während das Wasser den Körper entlangrinnt erwärmt es sich, durch dem Körper entzogene Wärme. Streicht nun Wind zusätzlich über die benetzte Haut, kann Verdunsten von Wasser zusätzliche Wärmeabfuhr und damit weitere Temperaturerniedrigung erzeugen, sofern die ankommende Luft höchstens gleich warm wie die Haut und dabei nicht wasserdampfgesättigt ist.
  • Abschrecken von heißem Metall in einem Wasser- oder Ölbad (z. B. das Härten von dafür geeignetem Stahl).
• mit Wärmetauscher: Trennung der Stoff-Kreisläufe durch feste Wandung zwischen Kühlflüssigkeit und dem zu kühlenden Fluid (Gas, Flüssigkeit), z. B.:
  • Verbrennungsmotor-Kühlmittelumlauf. Luft durchströmt den metallischen, mit gewellten Lamellen in der Oberfläche vergrößerten Kühler. Hier ist die Umgebungsluft das Kühlmedium. Die so herabgekühlte umlaufende Flüssigkeit (Wasser-Glykol-Gemisch) kühlt in einem mit einer Wasserpumpe angetriebenen Kreislauf die heißen Teile des Motors herunter (besonders den Zylinderkopf).
  • Kernreaktoren: in den meisten Reaktoren wird die erzeugte Wärme durch Wasser abgeführt. Beim Druckwasserreaktor wird dieser (radioaktiv verunreinigte) Primärkreislauf über Wärmetauscher von einem nicht radioaktiven Sekundärkreislauf gekühlt.

Kühlwasser

Wasser ist das am häufigsten verwendete Kühlmittel. Bei der Durchlaufkühlung wird das erwärmte Wasser nach einmaligem Gebrauch abgeleitet. Bei der Zirkulationskühlung strömt das Kühlwasser in einem Kühlkreislauf und dient dem Transport von Wärmeenergie durch Konvektion. In beiden Fällen spricht man von Wasserkühlung.

Eine bekannte Anwendung ist die Kühlung von thermodynamischen Kreisprozessen zur Gewinnung von mechanischer Energie in Kraftwerken oder Verbrennungsmotoren.

Weitere Beispiele sind Baugruppen der Leistungselektronik, Hochleistungs-Laser, Senderöhren und Magnetrons.

Kühlwasser gibt es in vielen verschiedenen Zusammensetzungen, je nach Einsatzort und -gebiet. Verschmutzungen von Anlagen durch Bestandteile des Kühlwassers werden durch Verwendung von deionisiertem Wasser oder durch Zusätze verhindert. Das Wachstum von Mikroorganismen wird Fouling genannt, es kann durch Zusätze und/oder lichtundurchlässige Leitungen und Tanks verhindert werden.

Der zulässige Höchstwert für in Gewässer zurückgeleitetes Kühlwasser liegt in Frankreich bei 26 Grad. Bei Wassertemperaturen von 28 Grad sinkt der Sauerstoffgehalt so sehr ab, dass den Fischen Erstickung droht.

Oft wird dem Kühlwasser in geschlossenen Kühlkreisläufen Frostschutzmittel zugesetzt, um ein Einfrieren im Winter zu verhindern.

Bei offenen Kühlwasserkreisläufen lassen sich durch die Verdunstungskälte und intensivere Durchmischung von zu kühlendem Wasser und der kühlenden Luft auch niedrigere Temperaturen erreichen. Beispiel sind die Kühltürme von Kraftwerken, Kältemaschinen für Eislaufbahnen.

Stationäre Verbrennungsmotoren besitzen bisweilen einen drucklosen Wassermantel um den Zylinder mit einer Öffnung, aus der Wasser verdampft und so den Motor kühlt („Siedekühlung“). Das verdampfte Wasser muss regelmäßig ersetzt werden.

Flüssige Metalle

In Kernreaktoren wird teilweise Natrium oder NaK-78 (eutektisches Gemisch aus 22 % Natrium und 78 % Kalium) im Kühlmittelkreislauf eingesetzt. Das Kühlmittel hat gute Wärmeübertragungseigenschaften und einen großen nutzbaren Temperaturbereich. Natrium schmilzt schon bei 98 °C, siedet aber erst bei 883 °C. NaK-78 schmilzt bei −12,6 °C und siedet bei 785 °C.

Man nimmt auch an, dass die Sowjetunion in das Atom-Jagd-U-Boot Komsomolez, dem einzigen Schiff der Mike-Klasse, einen Reaktor eingebaut hatte, der mit einem Blei-Bismut-Gemisch gekühlt wurde. Seit 1989 liegt dieses Schiff auf dem Grund des Nordmeeres, nachdem es im Reaktorraum einen Brand gegeben hatte.

Öl

Ölkühlung wird dort eingesetzt, wo besonders gute elektrische Isoliereigenschaften erforderlich sind. Das ist z. B. bei Röntgenröhren, großen Transformatoren, aber auch großen Kondensatoren und Leistungsschaltern der Fall. Öl besitzt zwar nicht die hohe Wärmekapazität wie Wasser, und ist auch eher höherviskos, hat aber einen höheren Siedepunkt.

Früher wurden in Transformatoren und Leistungskondensatoren auch polychlorierte Biphenyle (PCB), (z. B. Dichlorphenyl) als Kühlöle eingesetzt. Sie besitzen hervorragende Isoliereigenschaften und sind überdies nicht brennbar. Heute ist ihr Einsatz aufgrund ihrer Giftigkeit verboten.

Als PCB-Ersatz, aber auch als Ersatz für das klassische Mineralöl, werden schon seit über 25 Jahren synthetische organische Ester in Transformatoren eingesetzt. Hierbei handelt es sich um gesättigte Pentaerythrittetrafettsäureester, welche sich durch einen hohen Brennpunkt (>300 °C), Flammpunkt (>250 °C) und eine hohe Zündtemperatur (>375 °C) auszeichnen und somit wie PCB nicht brennbar sind. Darüber hinaus ist die Esterflüssigkeit ungiftig, leicht biologisch abbaubar und als nicht wassergefährdend eingestuft. Die Isoliereigenschaften sind mit denen von Mineralöl, welches klassischer Weise als Isolieröl in Transformatoren eingesetzt wird, und mit denen von PCB vergleichbar.

Alkohol

In Flugzeugen wird aufgrund seiner Frostsicherheit, seiner geringen Viskosität und entfallendem Fouling teilweise reines Ethanol als Kühlflüssigkeit eingesetzt.

Siehe auch

• Wasserkühlung
• Luftkühlung
• Ölkühlung

Weblinks

• Produktinformationsblatt für Isolier- und Kühlflüssigkeit auf Basis einen synthetischen organischen Esters BecFluid 9902 von ELANTAS GmbH (PDF-Datei; 286 kB)