Kühlsysteme sind in der industriellen Produktion und im Alltag unverzichtbar. Sie sorgen dafür, dass Maschinen und Produktionsprozesse sicher und effizient ablaufen können. Die Effizienz von Kühlsystemen erhöht die Lebensdauer der Maschinen und senkt Betriebskosten. Als Kühlmittel wird häufig Wasser verwendet – aufgrund seiner hohen Wärmekapazität, des geringen Preises und der guten Verfügbarkeit. Damit Wasser auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt eingesetzt werden kann, werden dem Wasser Frostschutzmittel, auch Gefrierschutzmittel genannt, zugesetzt.
Woraus besteht Frostschutzmittel?
In Automobilen sind sie neben dem Frostschutz auch für die Motorkühlung verantwortlich. Die Art des Gefrierschutzmittels und das Mischungsverhältnis von Frostschutzmittel und Kühlflüssigkeit bestimmen den Gefrierpunkt.
Gefrierschutzmittel auf Ethanol-Basis können bei Installationen aus Kupfer, Messing, Grauguss, Aluminium, Stahl und Eisen eingesetzt werden. Meistens werden sie in Scheibenwaschanlagen, Wärmepumpen-, Kühl- und Heizungsanlagen verwendet. Als flexiblere Leitungen dienen Kühlwasserschläuche aus polymeren Werkstoffen, je nach Anwendung gefertigt aus harten Kunststoffen oder weichen Elastomeren, wie peroxidisch vernetzte EPDM-Schläuche.
Ethylenglykol
Ethylenglykol, der einfachste zweiwertige Alkohol, wurde 1928 von der I.G. Farben in Ludwigshafen als Frostschutzmittel in Kühlflüssigkeiten für Verbrennungsmotoren entwickelt und unter dem Handelsnamen Glysantin vertrieben. Die korrekte Bezeichnung für Ethylenglykol, das umgangssprachlich auch als Glykol oder Mono-Ethylen-Glykol (MEG) bezeichnet wird, lautet 1,2-Ethandiol. Ethylenglykol ist eine farblose, viskose Flüssigkeit, unbegrenzt mit Wasser mischbar und günstiger als Propylenglykol.
1,2-Ethandiol findet Anwendung als Gefrierschutzmittel in der Autoindustrie, als Frost- und Korrosionsschutzmittel in Wasser- und Heizkreisläufen sowie zum Enteisen von Flugzeugen und Flugpisten.
Propylenglykol
Für den zweiwertigen Alkohol Propan-1,2-diol werden auch die Namen Propylenglykol, 1,2-Propandiol, 1,2-Propylenglycol und Monopropylenglykol (MPG) verwendet.
Propylenglykol besitzt eine etwa doppelt so hohe Viskosität wie Ethylenglykol, bei Temperaturen unter -18 °C wird es sirupartig, weshalb mehr Pumpkraft benötigt wird. Von der Food and Drug Administration (FDA) ist 1,2-Propandiol als grundsätzlich unbedenklich für Lebensmittel- und Kosmetikprodukte eingestuft. In der EU ist Propylenglykol unter der Bezeichnung E 1520 als Lebensmittelzusatzstoff, in den USA seit 1942 als Bestandteil für Arzneimittel zugelassen.
Wegen seiner Unbedenklichkeit ist es das einzige Frostschutzmittel, das in Kühlanlagen in der Lebensmittelverarbeitung, in der Pharma- und Kosmetikindustrie, in der Gastronomie sowie in der Tierzucht verwendet wird. Weitere Anwendungsbeispiele sind Kühlerfrostschutz, Kühlsolen, Solarflüssigkeiten für Solaranlagen und Soleflüssigkeiten für Erdwärmekollektoren. Beim Einsatz dieses Frostschutzmittels sind die Anforderungen an die Sicherheitsvorschriften niedriger als beim Umgang mit Ethylenglykol.
Glycerin
Glycerin, ein dreiwertiger Alkohol, mit dem korrekten Namen 1,2,3-Propantriol, ist eine hygroskopische, farb- und geruchlose Flüssigkeit. Die Viskosität von Glycerin ist etwa siebzig Mal höher als die von Ethylenglykol, jedoch ist Glycerin weniger giftig. Es wird als Scheiben- und Kühlerfrostschutz, Enteisungsmittel sowie als Frostschutz bei der Überwinterung von Leitungen verwendet.
Weitere Additive in Kühlflüssigkeiten
Neben Gefrierschutzmitteln werden Kühlflüssigkeiten weitere Additive beigemischt, die für Korrosionsschutz sorgen, Kalk- oder Algenbildung verhindern oder schmierende Eigenschaften besitzen. Bei Kühlerfrostschutz werden je nach Zusammensetzung drei verschiedene Typen unterschieden. Die ersten Kühlmittel, die in der Automobilindustrie entwickelt wurden, verwendeten Phosphat-Silikate-Zusätze, die dem Korrosionsschutz dienen. Sie werden mit der Abkürzung IAT für inorganic acid technology bezeichnet und eignen sich für Gusseisen-, Messing-, Kupfer- und Aluminiumteile, die in älteren Fahrzeugen zu finden sind. Frostschutzmittel mit der Bezeichnung OAT für organic acid technology sind silikatfrei und enthalten organische Säuren. Sie sind nicht geeignet für Kupfer- oder Messingteile. Hybrid-OAT-Frostschutzmittel enthalten sowohl Silikate als auch organische Säuren und haben den Vorteil, dass sie mit den beiden anderen Typen mischbar sind. Gefrierschutzmittel werden in unterschiedlichen Farben angeboten, die allerdings je nach Hersteller variieren.
Kühlwasserschläuche
Neben dem Kühlmittel sind auch die Schläuche, die das Kühlfluid fördern, für einen sicheren Kühlprozess von entscheidender Bedeutung. Sie verbinden die einzelnen Komponenten eines Kühlsystems. Kühlmittelschläuche müssen eine chemische Beständigkeit gegenüber dem zu fördernden Fluid aufweisen und die Temperaturanforderungen des Kühlprozesses erfüllen. Deshalb werden Kühlwasserschläuche aus verschiedenen Schlauchwerkstoffen gefertigt.
Häufig verwendete Kunststoffe für Kühlwasserschläuche sind Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR) und Silikonkautschuk. Kühlmittelschläuche werden in unterschiedlichen Ausführungen gefertigt, beispielsweise als Vollelastomer-Schläuche, gewebeverstärkte Doppelmantelschläuche oder Profilschläuche.
Schläuche aus EPDM sind häufig eingesetzte Kühlwasserschläuche. Sie sind kompatibel mit allen gängigen Frostschutzmitteln, besitzen eine gute chemische Beständigkeit gegenüber vielen Säuren, Laugen und polaren Lösungsmitteln. Unbeständig sind sie gegenüber Fetten und mineralischen Ölen. Die hervorragende Ozon- und Witterungsbeständigkeit dieses Schlauchwerkstoffs verhindert Rissbildung. Kühlmittelschläuche aus EPDM werden schwefelvernetzt oder peroxidvernetzt angeboten. Allgemein besitzt peroxidisch vernetztes EPDM (Per-EPDM) eine höhere thermische Stabilität und eine bessere Beständigkeit gegenüber chemischen Einflüssen und wird daher oft für Anwendungen verwendet, bei denen das Material hohen Temperaturen oder aggressiven Chemikalien ausgesetzt ist.
Zur Förderung von Mineralölen, tierischen und pflanzlichen Ölen, Kerosin und Benzin, aromatischen Lösungsmitteln sowie Alkoholen eignen sich Kühlwasserschläuche aus NBR. Je Typ und Ausstattung können NBR-Kühlmittelschläuche zwischen -20 bis +110 °C eingesetzt werden. Typische Anwendungsbeispiele sind Kraftstoffschläuche und Bremsleitungen, Tankschläuche, Chemieschläuche und Waschmaschinenschläuche.
Im Heißwasserbereich werden hauptsächlich Kühlwasserschläuche aus Silikonkautschuk eingesetzt. Sie sind beständig gegenüber aliphatischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen, Säuren, Laugen, Heißwasser, Wasserdampf und Treibstoffen, jedoch nur bedingt beständig gegenüber Alkoholen und Ketonen. Der Temperatureinsatzbereich liegt zwischen -60 und + 180 °C. Kühlmittelschläuche aus Silikon werden auch im Motor-, Fahrzeug- und Heizungsbau sowie in der Kälte- und Klimatechnik verwendet.
In der spanenden Bearbeitung wie Drehen, Bohren, Fräsen oder Schleifen dient die Kühlflüssigkeit zum Kühlen des Werkstücks und zur Minderung der Reibungswärme. In diesem Industriezweig werden Emulsionen als Kühlfluid verwendet, die durch Gelenkschläuche aus Edelstahl oder Kunststoff wie Polyoxymethylen (POM) gefördert werden. Um einen sicheren Kühlprozess zu gewährleisten, ist sowohl eine regelmäßige Überprüfung des Füllstands und der Zusammensetzung des Kühlwassers wie auch die Kontrolle der Kühlwasserschläuche auf Risse und Undichtigkeiten unerlässlich.
Bildquellen: Beitragsbild | © Detlef Dähne – stock.adobe.com