Neue Temperiersysteme für die Beheizung von Prozessen

In der Industrie hat sich mittlerweile die indirekte Temperierung mittels Flüssigkeit durchgesetzt. Dabei zirkuliert ein flüssiger Wärmeträger, der die Energie zwischen Wärmeverbraucher und Wärmeerzeuger überträgt. Dies bietet im Vergleich zur direkten Temperierung entscheidende Vorteile: Örtliche Überhitzungen werden vermieden, beim Heizen und Kühlen lässt sich eine automatisierte Programm- und Rampenfahrweise nutzen, thermische Spannungen werden durch einstellbare Temperaturdifferenzen vermieden und die Temperaturregelung ermöglicht ein schnelles Umschalten von Heizen auf Kühlen sowie ein stufenloses Durchfahren des gesamten Temperaturbereiches. Eine Korrosion durch geschlossene Systeme wird so ebenfalls ausgeschlossen.

Im Temperaturbereich von 180 bis 550 °C werden zunehmend Salzschmelzen als flüssige Wärmeträger eingesetzt. In den meisten Fällen kommen Gemische aus Alkalinitrit und -nitrat zum Einsatz, welche ihren Schmelzpunkt bei ca. 140 °C haben. Spezielle Salze (eutektische Mischungen der Alkalicarbonate) können sogar bis ca. 650 °C eingesetzt werden. Für die Salzschmelzen spricht, dass sie über hervorragende Wärmeübertragungseigenschaften verfügen, die Anlagen drucklos arbeiten und der Wärmeträger im Vergleich zu Thermalölen nicht brennbar ist.

Diese Eigenschaften bieten enorme Anwendungspotenziale in Bereichen wie der Reaktortemperierung, chemischen Synthesen, Aluminiumoxid-Produktion, Thermoformen bei der Pressentemperierung oder bei der Abwasseraufbereitung, bei der in einem Zwischenschritt Temperaturen von etwa 500 °C erforderlich sind, um den Salzabscheider zu temperieren. Auch in der Solarforschung wird daran gearbeitet, Flüssigsalze nicht nur als Speicher, sondern auch als zirkulierendes Wärmeträgermedium im Solarfeld einzusetzen. Dadurch können verschiedene technische, ökologische und ökonomische Vorteile realisiert werden. Der Einsatz von Salz statt Thermalölen als Wärmeträger- und Speichermedium erhöht den nutzbaren Temperaturbereich auf ca. 570 °C, wodurch in einem Kraftwerksblock Wirkungsgrade von über 45 % möglich werden. Durch die höheren Temperaturen steigt außerdem die Energiedichte im thermischen Speicher, weshalb dieser kleiner und damit kostengünstiger dimensioniert werden kann. Salz ist zudem ein nicht brennbarer Wärmeträger und muss im Gegensatz zu Thermalöl nicht ausgetauscht und entsorgt werden.

Trotz der hochinteressanten Einsatzmöglichkeiten der Salzschmelzen sollte nicht verschwiegen werden, dass es eines besonderen Know-hows bedarf, diese Anlagen zu planen und sicher zu betreiben. So muss etwa die Erstarrung des Salzes durch Abkühlung vermieden werden. Die Befüllungs- und Entleerungsprozedur des Gesamtsystems muss sichergestellt werden, zudem gelten besondere Materialanforderungen durch die hohen Temperaturen und Korrosionsrisiken. Eine solche Anlage unterliegt außerdem Reinheitsanforderungen, um chemische Angriffe auf die Anlagenwerkstoffe zu reduzieren. Auch die Auswahl und Installation der geeigneten Messtechnik zählt zu den technischen Herausforderungen.

Lauda hat als Temperiergeräte-Hersteller in diesem Bereich geforscht, um das Funktionsprinzip solcher Temperiersysteme zu verstehen. Auch die guten Kontakte zum Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln, wo in einer Musteranlage Temperaturen bis 570 °C realisiert werden, haben geholfen, die richtigen Lieferanten für Pumpen, Armaturen und andere Bauteile auszuwählen.

Die besondere technische Herausforderung beim Betrieb von Temperiersystemen mit Flüssigsalzen besteht in den Erstarrungstemperaturen von über 140 °C. Ein Einfrieren des Salzes muss in jedem Fall verhindert werden. Die Erstarrungstemperatur einer Salzmischung hängt von ihrer Zusammensetzung ab. Eine Mischung mit möglichst niedriger Erstarrungstemperatur ist aber nicht immer optimal für das Gesamtsystem, weil diese Mischungen häufig auch die maximal mögliche Prozess­temperatur begrenzen. Zukünftige Anwendungen werden höhere Prozesstemperaturen erfordern. Hier bieten Salzschmelzen Vorteile. Viele Betreiber sind noch vorsichtig, da es nur sehr wenige Installationen und Erfahrungen mit solchen Temperiersystemen gibt. Mit einem erprobten Modulkonzept können Anwender aber auf die umfangreich getesteten Erfahrungen des Herstellers zurückgreifen.

Die erste Pilot-Salzanlage wurde 2016/2017 für den Polymerhersteller Victrex in England gebaut. Mit Salzschmelzen statt Thermalöl als Wärmeträger konnte der Arbeitstemperaturbereich von 400 °C in den ursprünglichen Planungen auf 550 °C angehoben werden. Durch eine neue Salzmischung von Durferrit, einem Spezialisten für die Wärmeübertragung mit Salzschmelzen, konnte der Schmelzpunkt auf ca. 125 °C abgesenkt werden, was auch die Möglichkeit zum effektiven Kühlen eröffnet. Dabei stellten nahezu alle Komponenten des Salzkreises eine Herausforderung dar, weil bis dato keine Erfahrungen zur Materialeignung bei der hohen Anwendungstemperatur vorlagen. Insbesondere die geeignete Messtechnik zu finden erwies sich als schwierig, da Lieferanten noch keine entsprechenden Lösungen anbieten konnten. Lauda gelang es jedoch, die Geräte zu modifizieren und ein funktionierendes System zu konstruieren. Nach umfangreichen Testläufen mit Flüssigsalz im Prüffeld wurde die Anlage dann nach rund sechs Monaten Bauzeit mit der Salzmischung ausgeliefert.