Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul T-OIL stellt Stoffwerte von Wärmeträgerölen für die thermische Auslegung von Anlagen bereit. Hinterlegt sind mehr als 100 organische Wärmeträger – Mineralöle, synthetische Aromaten und Silikonöle – mit ihren temperaturabhängigen Stoffdaten: Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, dynamische und kinematische Viskosität sowie Dampfdruck. Grundlage sind die Produktinformationen der Hersteller.
Wer einen Thermalölkreislauf, einen Erhitzer oder einen Wärmeübertrager mit organischem Wärmeträger berechnen will, braucht diese Stoffwerte an jeder Temperaturstützstelle – etwa zur Bestimmung von Reynolds-, Prandtl- und Nußelt-Zahl, von Druckverlust und Pumpenleistung oder zur Kontrolle des Dampfdrucks gegen den Systemdruck. Das Modul liefert die Werte für frei wählbare Temperaturen und weist zusätzlich Stoffstruktur, Hersteller, frühere Produktbezeichnungen und den zulässigen Einsatzbereich aus.
Die Auswahl eines geeigneten Thermalöls erfolgt nach Kriterien wie maximaler Einsatztemperatur, maximaler Filmtemperatur oder Herstellername. Damit unterstützt das Modul sowohl die Neuauslegung von Wärmeträgeranlagen (z. B. nach DIN 4754) als auch den Ersatz nicht mehr lieferbarer Produkte durch aktuelle Äquivalente.
Regelwerk und Berechnungsbasis: Produktinformationen der Hersteller
So läuft die Berechnung ab
- Wärmeträgeröl auswählen: Das Öl wird über den Namen aus der Datenbank gewählt; Filterkriterien wie maximale Einsatztemperatur, Hersteller oder Stoffstruktur (mineralisch, synthetisch-aromatisch, Silikonöl) grenzen die Auswahl ein. Frühere Produktnamen helfen beim Auffinden umbenannter Öle.
- Einsatzbereich prüfen: Das Modul zeigt die Einsatzmöglichkeit des gewählten Öls an – insbesondere den zulässigen Temperaturbereich. Die Betriebstemperatur der Anlage muss innerhalb dieses Bereichs liegen, die maximale Filmtemperatur an der Heizfläche darf nicht überschritten werden.
- Temperaturstützstellen vorgeben: Für bis zu zwei Temperaturen werden die Stoffwerte parallel ausgegeben, sodass sich z. B. Ein- und Austrittszustand eines Wärmeübertragers direkt vergleichen lassen.
- Stoffwerte ausgeben: Ausgegeben werden Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, dynamische und kinematische Viskosität sowie der Dampfdruck bei den gewählten Temperaturen – die vollständige Basis für Wärmeübergangs- und Druckverlustberechnungen im Thermalölkreislauf.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Name des Wärmeträgeröls | _Name | – |
| Stoffstruktur | Teilbez.) | – |
| Hersteller | Teilbez.) | – |
| Früheres Produkt / Bemerkung | _Bemerkung | – |
| Einsatzmöglichkeit | _Einsatzmöglichkeit | – |
| Fließgrenze | _Fließgrenze | °C |
| Siedebeginn | _Siedebeginn | °C |
| Minimale Einsatztemperatur | Verwendungsbereich | °C |
| Maximale Einsatztemperatur | Verwendungsbereich | °C |
| Minimale Temperatur Füllen | Füllen | °C |
| Maximale Filmtemperatur | Filmtemperatur | °C |
| Flammpunkt | _Flammpunkt | °C |
| Zündtemperatur | _Zündtemperatur | °C |
| Neutralisationszahl | _Neutralisationszahl | mgKOH/g |
| Koksrückstand | _Koksrückstand | % |
| Explosionsgrenze | _Explosionsgrenze | Vol-% |
| Molmasse | _Molmasse | kg/kmol |
| Dichte | ρ | kg/m³ |
| Spezifische Wärmekapazität | cp | J/(kg·K) |
| Dynamische Viskosität | η | mPa·s |
| Kinematische Viskosität | ν | m²/s |
| Wärmeleitfähigkeit | λ | W/(m·K) |
| Dampfdruck | pD | Pa |
| Dichte | ρ | kg/m³ |
Häufige Fragen
Warum ist die maximale Filmtemperatur wichtiger als die maximale Einsatztemperatur?
Die Filmtemperatur ist die Temperatur in der Grenzschicht direkt an der Heizfläche und liegt deutlich über der Mitteltemperatur des Öls. Wird sie überschritten, crackt das Öl thermisch: Es bilden sich Leichtsieder (Flammpunktabfall, Dampfdruckanstieg) und Koks auf der Heizfläche, der den Wärmeübergang weiter verschlechtert und die Filmtemperatur zusätzlich anhebt. Die Auslegung des Erhitzers muss deshalb die Filmtemperatur nachweisen, nicht nur die Vorlauftemperatur.
Wie stark ändert sich die Viskosität von Thermalölen mit der Temperatur?
Sehr stark und nichtlinear: Zwischen Kaltstart bei 20 °C und Betrieb bei 300 °C kann die kinematische Viskosität um zwei bis drei Größenordnungen fallen. Für die Auslegung folgt daraus, dass Druckverlust und Pumpenleistung im Kaltzustand sowie der Umschlag laminar/turbulent temperaturabhängig geprüft werden müssen – ein Öl, das im Betriebspunkt turbulent strömt, kann beim Anfahren laminar sein und deutlich schlechtere Wärmeübergangskoeffizienten liefern.
Wozu wird der Dampfdruck des Wärmeträgeröls benötigt?
Der Dampfdruck bestimmt, ab welcher Temperatur ein offenes oder druckloses System nicht mehr betrieben werden kann und welcher Überlagerungsdruck (z. B. Stickstoff) im Ausdehnungsgefäß nötig ist, um Verdampfung und Kavitation an der Pumpensaugseite zu verhindern. Synthetische Wärmeträger haben teils erhebliche Dampfdrücke bei hohen Temperaturen, mineralische Öle bleiben meist unter 1 bar.
Wie belastbar sind Stoffwerte aus Herstellerangaben?
Die Daten stammen aus den Produktdatenblättern der Hersteller und sind für die verfahrenstechnische Auslegung ausreichend genau. Es handelt sich jedoch um typische Werte, keine garantierten Analysenwerte; im Betrieb verändert Alterung (Cracken, Oxidation) die Eigenschaften. Für gealterte Öle sollten die Kennwerte regelmäßig durch Ölanalysen überprüft werden.