Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul GLYC berechnet die Stoffwerte der Wärmeträger- und Kälteträgersolen Antifrogen® N, L, KF und SOL des Herstellers Clariant. Wer Stoffwerte von Glykol-Wasser-Gemischen berechnen muss – etwa für die Auslegung von Kühlsolekreisläufen, Wärmepumpen, Solaranlagen oder Rückkühlwerken – erhält hier Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Viskosität und weitere Größen in Abhängigkeit von Temperatur und Zusammensetzung bzw. der geforderten Frostsicherheit.
Antifrogen N ist ein Ethylenglykol-Wasser-Gemisch für geschlossene industrielle Kreisläufe, Antifrogen L die physiologisch unbedenkliche Alternative auf Basis von 1,2-Propylenglykol für Lebensmittel- und Trinkwassernähe, Antifrogen KF eine wässrige Lösung organischer Salze (Formiate) mit niedriger Viskosität für tiefe Temperaturen, und Antifrogen SOL ein Spezialprodukt aus Propylenglykol mit höhersiedenden Alkylenglykolen für thermische Solaranlagen. Datenbasis sind die Stoffdatenblätter der Clariant GmbH.
Aus den Grundgrößen leitet das Modul die für Wärmeübergangs- und Druckverlustrechnungen benötigten Kennwerte ab, darunter Prandtl-Zahl, Temperaturleitfähigkeit und thermischen Ausdehnungskoeffizienten sowie Siedepunkt bzw. Sättigungsdruck des Gemisches.
Regelwerk und Berechnungsbasis: Clariant GmbH
So läuft die Berechnung ab
- Produkt und Konzentration wählen: Zunächst wird das Antifrogen-Produkt (N, L, KF oder SOL) festgelegt. Bei N, L und KF wird die Zusammensetzung entweder direkt als Massen- bzw. Volumenanteil vorgegeben oder indirekt über die geforderte Frostsicherheit, aus der das Modul die notwendige Konzentration bestimmt. Antifrogen SOL wird als Fertigprodukt konstanter Zusammensetzung nur über die Temperatur ausgewertet.
- Betriebstemperatur festlegen: Die Temperatur – etwa die mittlere Soletemperatur im Wärmeübertrager oder die tiefste Betriebstemperatur des Kreislaufs – wird eingegeben. Sie muss innerhalb des für die gewählte Konzentration zulässigen Bereichs oberhalb der Stockpunktkurve liegen.
- Stoffwerte berechnen: Aus den hinterlegten Herstellerdaten werden Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit sowie dynamische und kinematische Viskosität als Funktion von Temperatur und Konzentration interpoliert; ergänzend werden Siedepunkt und Dampfdruck des Gemisches ausgegeben.
- Abgeleitete Kennzahlen bilden: Prandtl-Zahl, Temperaturleitfähigkeit und thermischer Ausdehnungskoeffizient werden aus den Grundgrößen berechnet. Sie gehen unmittelbar in Nusselt-Korrelationen für den Wärmeübergang und in die Auslegung von Ausdehnungsgefäßen ein.
- Ergebnisse in die Anlagenauslegung übernehmen: Mit den Stoffwerten lassen sich Wärmeübertrager, Pumpen und Rohrleitungen des Solekreislaufs dimensionieren – insbesondere der Vergleich mit reinem Wasser zeigt, wie stark die höhere Viskosität und die geringere Wärmekapazität des Gemisches Wärmeübergang und Druckverlust verändern.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Temperatur | ϑ ϑ | °C |
| Temperatur | ϑ ϑ | °C |
| Gewichtsanteil | 0 ≤ g ≤ 0.61 g g | -- |
| Gewichtsanteil | 0 ≤ g ≤ 0.61 g g | -- |
| Volumenanteil | 0 ≤ v ≤ 0.60 v v | -- |
| Volumenanteil | 0 ≤ v ≤ 0.60 v v | -- |
| Dichte | ρ ρ | kg/m³ |
| Dichte | ρ ρ | kg/m³ |
| Spezifische Wärmekapazität | cp cp | J/(kg·K) |
| Spezifische Wärmekapazität | cp cp | J/(kg·K) |
| Dynamische Viskosität | η η | mPa·s |
| Dynamische Viskosität | η η | mPa·s |
| Kinematische Viskosität | ν ν | m²/s |
| Kinematische Viskosität | ν ν | m²/s |
| Wärmeleitfähigkeit | λ λ | W/(m·K) |
| Wärmeleitfähigkeit | λ λ | W/(m·K) |
| Prandtl-Zahl | Pr Pr | - |
| Prandtl-Zahl | Pr Pr | - |
| Thermischer Ausdehnungskoeffizient | β β | 1/K |
| Thermischer Ausdehnungskoeffizient | β β | 1/K |
| Siedetemperatur | ϑs ϑs | °C |
| Siedetemperatur | ϑs ϑs | °C |
| Dampfdruck | ps ps | Pa |
| Dampfdruck | ps ps | Pa |
Berechnungsoptionen
Temperatur
1,2-Propylenglykol · Ethylenglykol · 3 · 4
Häufige Fragen
Wie unterscheiden sich Frostsicherheit und Stockpunkt?
Glykol-Wasser-Gemische frieren nicht schlagartig, sondern bilden zunächst einen Eisbrei aus Eiskristallen in der Restlösung. Die Frostsicherheit bezeichnet die Temperatur, bis zu der das Gemisch ohne Frostsprengwirkung bleibt, weil der Eisbrei noch pumpfähig bzw. volumenverträglich ist; der Stockpunkt liegt darunter. Für die Anlagenauslegung ist entscheidend, dass die tiefste Betriebstemperatur mit ausreichendem Abstand oberhalb der Eisbildungsgrenze der gewählten Konzentration liegt.
Wann wählt man Antifrogen L statt Antifrogen N?
Antifrogen N auf Ethylenglykolbasis hat die günstigeren Stoffwerte (niedrigere Viskosität, höhere Wärmeleitfähigkeit) und ist erste Wahl für geschlossene Industriekreisläufe. Ethylenglykol ist jedoch gesundheitsschädlich; überall dort, wo ein Übertritt in Lebensmittel, Trinkwasser oder Brauchwasser möglich ist – Lebensmittelindustrie, Wärmepumpen mit Trinkwassererwärmung –, wird das physiologisch unbedenkliche Antifrogen L auf Propylenglykolbasis eingesetzt. Der Preis dafür ist eine deutlich höhere Viskosität bei tiefen Temperaturen und damit mehr Pumpleistung und schlechterer Wärmeübergang.
Warum verschlechtert die Sole den Wärmeübergang gegenüber reinem Wasser?
Mit steigendem Glykolanteil sinken Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität, während die Viskosität stark zunimmt – bei tiefen Temperaturen um ein Mehrfaches. Die Prandtl-Zahl steigt, die Reynolds-Zahl sinkt bei gleichem Volumenstrom; im ungünstigen Fall wechselt die Strömung von turbulent nach laminar, was den Wärmeübergangskoeffizienten drastisch reduziert. Deshalb sollte die Konzentration nur so hoch gewählt werden, wie es die Frostsicherheit tatsächlich erfordert.
Was zeichnet Antifrogen KF für tiefe Temperaturen aus?
Antifrogen KF basiert nicht auf Glykol, sondern auf wässrigen Lösungen organischer Salze (Formiate). Diese Solen haben bei tiefen Temperaturen eine wesentlich geringere Viskosität als Glykolgemische gleicher Frostsicherheit, wodurch Wärmeübergang und Pumpenergiebedarf deutlich günstiger ausfallen – interessant für Kälteanwendungen bis etwa −50 °C. Zu beachten sind die andere Korrosionscharakteristik und die Verträglichkeit mit Dichtungswerkstoffen, die nach Herstellerangaben zu prüfen sind.