Analyse von Wärmeträgerflüssigkeiten
Fachartikel zu Thermoöl-Analysen in industriellen Wärmeübertragungsanlagen
Grundlagen, Probennahme, Prüfumfang, Trendbewertung und Sonderanalytik für Wärmeträgerflüssigkeiten
Autoren:
Sebastian Janssen, Dipl.-Ing. Verfahrenstechnik, Geschäftsführer der Processtherm GmbH
Dr. Jens Schumacher, promovierter Chemiker, Geschäftsführer der Processtherm GmbH
Kurzfassung
Die Analyse von Wärmeträgerflüssigkeiten ist kein formaler Laborakt, sondern ein zentrales Instrument der Anlagenverfügbarkeit, Betriebssicherheit und Instandhaltung. Regelmäßige Fluidkontrolle hilft, Unregelmäßigkeiten, Kontaminationen sowie thermische oder oxidative Schädigung frühzeitig zu erkennen und Folgeschäden zu vermeiden.
Für den laufenden Betrieb bildet DIN 51529 weiterhin die Basissystematik zur Prüfung und Beurteilung gebrauchter Wärmeträgeröle. In der praktischen Bewertung zählt jedoch nicht nur der Messwert, sondern immer die stoff- und anlagenbezogene Einordnung.
Eine belastbare Wärmeträgeröl- oder Thermalöl-Analyse beginnt nicht im Labor, sondern an der Entnahmestelle. Repräsentative Proben aus dem Hauptstrom, ausreichend gespülte Entnahmestellen, geeignete Probenbehälter und kontrollierte Probentemperaturen sind entscheidend für verwertbare Ergebnisse.
Für klassische organische Wärmeträgerfluide stehen Viskosität, Wassergehalt, Säurezahl, Flammpunkt, Hochsieder-, Leichtsieder- und Feststoffanteile im Mittelpunkt. Trenddaten sind aussagekräftiger als Einzelwerte.
Für silikonölbasierte Wärmeträgerflüssigkeiten reicht eine Standardanalytik für organische Wärmeträgeröle häufig nicht aus. Je nach Fluidchemie und Einsatzprofil kann ergänzende Sonderanalytik erforderlich sein, um Dampfdruck, Strukturveränderungen und Langzeitstabilität belastbar zu bewerten.
Empfehlung von Processtherm: Vor jeder Analyse ein kurzes Beratungsgespräch. So werden Fluidtyp, Betriebszustand, Probenentnahmepunkt, gewünschte Aussage und notwendige Sonderanalytik vorab sauber festgelegt.
1. Warum die Analyse von Wärmeträgerflüssigkeiten entscheidend ist
In industriellen Wärmeübertragungsanlagen ist die Wärmeträgerflüssigkeit, auch bekannt als Wärmeträgeröl, Thermalöl oder Thermoöl, mehr als ein bloßes Hilfsmedium. Sie beeinflusst Wärmeübergang, Druckniveau, Pumpbarkeit, Entgasungs- und Auskochverhalten, Sicherheit und die thermische Belastung des Gesamtsystems. Entsprechend sind die Analyse von Wärmeträgerflüssigkeiten ein Kernbaustein der zustandsorientierten Betriebsführung.
Regelmäßige Analysen erhöhen die Anlagenverfügbarkeit und liefern frühzeitig Hinweise auf Kontamination, Unregelmäßigkeiten im Betrieb sowie starke oder für den Betriebszustand nicht erwartete thermische oder oxidative Schädigung. Die Praxisrelevanz liegt nicht nur im Messwert selbst, sondern in der Verknüpfung von Messwert, Trend und Betriebsbedingungen.
DIN 51529 ist der Ausgangspunkt für die Beurteilung gebrauchter Wärmeträgerflüssigkeiten. Für die technische Entscheidung im Betrieb reicht jedoch die reine Norm allein oft nicht aus; entscheidend sind zusätzlich Fluidchemie, Temperaturbereich, Konstruktion der Wärmeübertragungsanlage, Druckniveau und die konkrete Betriebshistorie.
| Betriebsfrage | Typischer Befund | Potenzielle Maßnahmen |
|---|---|---|
| Warum steigt der Systemdruck? | Leichtsiederbildung, Gase, Wassereintrag oder Prozesskontamination | Druckverhalten technisch einordnen, Ursache für Wasser-/Gas-/Prozesseintrag abstellen, Entgasen oder Auskochen prüfen, Fluidzustand neu bewerten |
| Warum sinkt der Flammpunkt? | Leichtsiedende Zersetzungsprodukte, Fehlbefüllung, Kontamination | Je nach Befund Entgasen, Auskochen, Teil- oder Komplettaustausch prüfen |
| Warum werden Temperaturniveaus nicht mehr erreicht? | Viskositätsanstieg, Hochsieder, Oxidation, Ablagerungen | Wärmeübergang, Druckverlust und Filmtemperatur prüfen, Teil- oder Komplettaustausch und ggf. Anlagenreinigung prüfen |
| Warum treten Pumpengeräusche auf? | Stark gestiegene Viskosität oder Kavitation durch Leichtsieder, Gase oder Wasser | Je nach Befund Entgasen, Auskochen, Teil- oder Komplettaustausch prüfen, ggf. Wassereintrag abstellen |
2. Welche Schädigungsmechanismen muss die Analytik sichtbar machen?
2.1 Klassische organische Wärmeträgerfluide: thermische Schädigung, Oxidation, Kontamination
Für klassische organische Wärmeträgerfluide dominieren in der Praxis drei zentrale Angriffspfade: thermische Schädigung beziehungsweise Thermisches Cracken, oxidative Alterung sowie Prozess- oder Fremdkontamination. Diese Einordnung ist für die technische Wärmeträgerfluid-Analyse sehr hilfreich.
Thermische Schädigung zeigt sich typischerweise durch die Bildung von Leichtsiedern beziehungsweise Gasen sowie von Hochsiedern, längeren oder vernetzten Molekülstrukturen und im Extremfall koksartigen Ablagerungen. Leichtsieder und Gase erhöhen die Flüchtigkeit, steigern den Dampfdruck, verschlechtern die Pumpensaugbedingungen und können den Flammpunkt absenken. Ein abgesenkter Flammpunkt ist deshalb in erster Linie ein Hinweis auf leichtsiedende Zersetzungsprodukte oder auf Fremdstoffe, beispielsweise durch Fehlbefüllung, Vermischung oder Prozesskontamination. Hochsieder, Schlämme, Feststoffe und Koks fördern Fouling, bilden isolierende Beläge auf Heizflächen. Dies verschlechtert den Wärmeübergang und lässt die Filmtemperaturen lokal ansteigen. Oxidation erhöht typischerweise zusätzlich die Säure- oder Neutralisationszahl. Zusätzlich kann je nach Systembereich das Korrosionsrisiko steigen. Fremdstoffe wie z.B. Wasser, Prozessgase, Asphalt, Korrosionsprodukte oder Reste aus Druckproben können einzelne Kennwerte stark verfälschen und müssen deshalb analytisch sauber vom eigentlichen Alterungs- und Schädigungsbild getrennt werden.
2.2 Besonderheit silikonölbasierter Wärmeträgerflüssigkeiten
Bei silikonölbasierten Wärmeträgerflüssigkeiten beziehungsweise polydimethylsiloxanbasierten (PDMS) Systemen greift eine auf Kohlenwasserstoffen basierende Sicht zu kurz. Diese Medien verhalten sich stofflich anders als klassische organische Thermalöle und erfordern deshalb häufig eine erweiterte analytische Betrachtung.
Aus technischer Sicht ist besonders relevant, dass sich die chemische Zusammensetzung silikonölbasierter Wärmeträgerflüssigkeiten unter hohen Temperaturen verändern kann. Für die Bewertung des gebrauchten Fluids sind deshalb nicht nur Standardkennwerte, sondern gegebenenfalls auch struktur- und produktbezogene Zusatzinformationen erforderlich.
Gerade für silikonölbasierte Wärmeträgerflüssigkeiten ist deshalb Sonderanalytik kein Luxus, sondern häufig Voraussetzung für eine belastbare Diagnose. Eine reine Standard-Thermalöl-Analyse kann das reale Betriebsverhalten sonst nur unvollständig abbilden.
3. Probennahme der Wärmeträgerflüssigkeit
Die Aussagekraft jeder Laboranalyse steht und fällt mit der Qualität der Probe. Entscheidend sind eine gründliche Spülung der Entnahmestelle, die Entnahme aus dem Hauptstrom, das kontrollierte Abkühlen der Probe vor dem Abfüllen sowie die Verwendung eines geeigneten Probengefäßes.
Für die Praxis bewährt sich eine Beprobung nach dem Start-up, erneut nach der frühen Betriebsphase und anschließend in regelmäßigen Intervallen. Zusätzliche Proben sind insbesondere nach Nachfüllungen, Fluidwechsel, wesentlichen Betriebsänderungen oder bei Troubleshooting sinnvoll. Die Probe sollte möglichst aus einer geeigneten Entnahmestation und aus dem Hauptstrom entnommen werden.
Checkliste Probennahme
Entnahmestelle ausreichend spülen.
Probe aus dem Hauptstrom und nicht aus Totzonen oder einem stehenden Behälter ziehen.
Probe vor der Entnahme kontrolliert abkühlen (<80°C); heiße Direktabfüllung vermeiden.
Hitzebeständiges, sauberes und fluidverträgliches Probengefäß verwenden.
Probeninformationen mit Produktname, Füllmenge, Fluidalter, Vorlauf-/Rücklauftemperatur, Druckniveau, Inertgasüberlagerung, Nachfüllmengen und Auffälligkeiten bereitstellen.
4. Prüfumfang der Analyse einer Wärmeträgerflüssigkeit
4.1 DIN 51529: Tabelle 1 und Tabelle 2 als Ausgangspunkt
Der sinnvolle Prüfumfang ergibt sich in der DIN 51529 nicht aus einem einzigen Universalschema, sondern aus zwei Tabellen: Tabelle 1 für Wärmeträgermedien auf Mineralölbasis und Tabelle 2 für synthetische Wärmeträgerflüssigkeiten. Daraus folgt, dass der Analysenumfang immer fluidabhängig festzulegen ist.
Typische Basisparameter sind je nach Fluidfamilie und Fragestellung insbesondere kinematische Viskosität, Flammpunkt, Wassergehalt, Säure- beziehungsweise Neutralisationszahl, unlösliche Feststoffe sowie Anteile an Leichtsiedern und Hochsiedern. Diese Parameter dürfen nicht isoliert betrachtet werden. Dieselbe Viskositätsabweichung kann je nach Fluidtyp, Temperaturbereich, Entgasungs- oder Auskochzustand oder Fremdkontamination völlig unterschiedliche Ursachen haben.
| Analytik | Technische Aussage | Bemerkung |
|---|---|---|
| Kinematische Viskosität | Hinweis auf Hochsieder, Leichtsieder, Mischungen, thermische Schädigung oder starke Oxidation | Trend meist wichtiger als Einzelwert |
| Flammpunkt | Früher Indikator für Leichtsieder, Fehlbefüllung oder Kontamination | Sicherheitsrisiko |
| Wassergehalt | Hinweis auf Leckagen, Druckprobe, Kondensation, fehlerhafte Lagerung oder Probennahme | Sicherheits- und Korrosionsrisiko hoch |
| Säurezahl / Neutralisationszahl | Hinweis auf Oxidation und Bildung saurer Abbauprodukte | Korrosionsrisiko |
| Leichtsieder / Hochsieder | Quantitative Bestimmung von Hoch- und Niedrigsiederanteilen | Für mineralölbasierte Produkte nach DIN 51529 nicht durchgeführt |
| Unlösliche Feststoffe | Hinweis auf Koks, Schlamm, Korrosionsprodukte oder Kontamination | Bei Bedarf Feststoffcharakterisierung anschließen |
| Anorganische Feststoffe | Hinweise auf Korrosion, Abrieb, Prozessleckage | Anwendungsbezogen ergänzen |
4.2 Richtwerte: hilfreich, aber nie ohne Systemkontext
In der Praxis werden häufig Orientierungsgrößen wie ein Viskositätsanstieg von mehr als 30 %, eine deutlich erhöhte Säurezahl, ein abgesenkter Flammpunkt, erhöhte Feststoffgehalte oder Wasser im Bereich kritischer ppm-Größenordnungen als Warnsignale betrachtet. Solche Werte sind jedoch keine universellen Freigabe- oder Aussonderungsgrenzen, sondern nur im Systemkontext belastbar interpretierbar.
Entscheidend ist nicht der Einzelwert allein, sondern das Gesamtbild der Analyse. Ein abgesenkter Flammpunkt kann beispielsweise auf leichtsiedende Zersetzungsprodukte hinweisen, aber auch durch niedrig siedende Fremdstoffe, Fehlbefüllungen oder betriebliche Besonderheiten verursacht sein. Ein Viskositätsanstieg kann auf oxidative Alterung, thermische Zersetzung oder Verunreinigungen zurückzuführen sein. Erst die gemeinsame Betrachtung mehrerer Kennwerte, der individuellen Anlage, der Frischölreferenz und des Trendverlaufs ermöglicht eine fachlich belastbare Einordnung. Wenn das Standard-Analysenbild keine eindeutige Ursachenklärung zulässt, kann eine weiterführende Sonderanalytik sinnvoll sein.
5. Bewertung: Warum Trenddaten wichtiger sind als Einzelwerte
Einzelne Laborwerte haben ohne Anlagenkontext nur begrenzte Aussagekraft. Besonders wertvoll wird die Analyse von Wärmeträgerflüssigkeiten dann, wenn wiederkehrende Proben unter vergleichbaren Bedingungen gezogen und als Trend bewertet werden. Noch wichtiger als der Einzelwert ist häufig die Frage, wie sich mehrere Kennwerte gemeinsam verändern.
Ein einzelner niedriger Flammpunkt bedeutet beispielsweise nicht zwangsläufig, dass ein kompletter Fluidwechsel erforderlich ist. Zunächst ist zu klären, ob leichtsiedende Zersetzungsprodukte, niedrig siedende Fremdstoffe, eine Fehlbefüllung oder eine andere Störung vorliegen. Entscheidend ist dabei die Einordnung gemeinsam mit weiteren Parametern wie Viskosität, Säurezahl, Wassergehalt und Feststoffgehalt sowie ein Vergleich mit dem Frischöl und Einbeziehung der bisherigen Trenddaten. Je nach Fluidtyp und System kann kontrolliertes Entgasen oder fachgerechtes Auskochen die Situation verbessern. Bei Fehlbefüllung, starker Kontamination oder fortgeschrittener Schädigung können dagegen z.B. ein Teil- oder Komplettaustausch der Thermalölfüllung erforderlich sein.
Daher sollte die Interpretation immer mindestens die folgenden Randbedingungen einbeziehen: Fluidtyp, Frischölreferenz, Datum und Umfang der letzten Nachfüllung, Entgasungs- oder Auskochvorgänge, Betriebsstunden, maximale Vorlauf- und Filmtemperatur, Druckniveau, Inertgasüberlagerung oder Kaltölvorlage, Reinigungs- oder Spülhistorie, mögliche Prozessleckagen, bekannte Fremdstoffkontakte und frühere Analyseergebnisse. Wenn Standardparameter keine eindeutige Ursachenklärung erlauben, ist eine tiefergehende Sonderanalytik oft sinnvoll, um zwischen Alterung, Kontamination, Fehlbefüllung und betrieblich bedingten Sondereffekten zu unterscheiden.
6. Sonderanalytik für silikonölbasierte Wärmeträgerflüssigkeiten
Für silikonölbasierte Wärmeträgerflüssigkeiten empfiehlt die Processtherm GmbH ausdrücklich eine erweiterte Betrachtung. Hintergrund ist nicht nur die chemische Besonderheit von Siloxanen, sondern auch die praktische Erfahrung, dass Standardparameter allein das reale Betriebsverhalten häufig nicht vollständig abbilden.
Gerade bei PDMS-basierten Medien können unter thermischer Belastung Verschiebungen zwischen linearen und zyklischen Siloxanen sowie weitere Strukturänderungen auftreten. Deshalb ist bei auffälligem Druckverhalten, veränderter Flüchtigkeit, ungewöhnlicher Viskositätsentwicklung oder unklarer Historie häufig eine ergänzende Sonderanalytik erforderlich.
In der Praxis bedeutet das: Auch wenn die DIN 51529 weiterhin die allgemeine Basis für gebrauchte Wärmeträgermedien bildet, ist bei silikonölbasierten Wärmeträgerflüssigkeiten häufig eine Sonderanalytik erforderlich. Eine reine Standard-Thermalöl-Analyse ist hier oft nicht ausreichend, um Betriebssicherheit, Dampf- beziehungsweise Druckverhalten und Langzeitstabilität sicher zu bewerten.
| Sonderanalytik | Ziel der Untersuchung | Ursachen und Symptome |
|---|---|---|
| Siloxan-/Zyklenprofil | Bewertung der Verschiebung zwischen linearen und zyklischen Komponenten | Thermische und oxidative Belastung, Druckanstieg, abweichender Dampfdruck, auffälliger Geruch, veränderte Flüchtigkeit |
| Verzweigte Siloxane | Einordnung von Strukturänderungen, Verzweigung und Crosslinking-Tendenzen | Hohe Einsatztemperaturen, Langzeitbetrieb, Viskositätsanstieg |
| Produktbezogene GC-/Siedelinien-Interpretation | Abgleich "unused" gegen "in use" und Identifikation atypischer Verteilungen | Nachfüllungen, Mischbetriebe, unklare Historie |
| Erweiterte Feststoff-/Rückstandsanalyse | Unterscheidung zwischen Koks, Korrosionsprodukten und Fremdstoffen | Probleme am Erhitzer, Fouling, Filterbefunde, dunkle Partikel |
7. Analyse, technische Beratung und Inhouse-Schulungen bei Processtherm
Die Processtherm GmbH bietet die Analyse von Wärmeträgerflüssigkeiten als technische Dienstleistung sowohl für Eigen- als auch für Fremdprodukte an. Dies schließt die Auswahl des geeigneten Prüfumfangs, Abstimmung der Probennahme, technische Bewertung der Befunde und Ableitung konkreter Maßnahmen für Betrieb, Monitoring und Fluidmanagement ein.
Ergänzend dazu führt die Processtherm GmbH technische Beratungsgespräche und Inhouse-Schulungen beim Kunden durch. Typische Inhalte sind Probennahme, Interpretation von Wärmeträgerölanalysen, Unterscheidung zwischen thermischer Schädigung, Oxidation und Kontamination, Besonderheiten silikonölbasierter Wärmeträgerflüssigkeiten, Sonderanalytik, Trendbewertung sowie Handlungsempfehlungen für Entgasen, Auskochen, sicheren Anlagenbetrieb und zustandsorientierte Instandhaltung.
8. Fazit
Die Analyse von Wärmeträgerflüssigkeiten ist für Prozessanlagen eine technische Kernaufgabe. Sie verbindet Labordaten mit Anlagenverständnis und schafft die Grundlage für sichere, planbare und wirtschaftliche Entscheidungen.
Für klassische Thermalöle bleibt die DIN 51529 der erste Ausgangspunkt der Zustandsbeurteilung. Gleichzeitig zeigt die Praxis, dass bei bestimmten Problemen oder silikonölbasierten Wärmeträgerflüssigkeiten in vielen Fällen eine weitergehende Sonderanalytik erforderlich ist. Entscheidend ist dabei nicht die isolierte Betrachtung einzelner Messwerte, sondern die fachkundige Einordnung des gesamten Analysenbildes im jeweiligen Systemkontext.
Die Processtherm GmbH empfiehlt deshalb: Erst kurz sprechen, anschließend gezielt analysieren. Die belastbare Interpretation von Analysenergebnissen erfordert neben den Laborwerten auch Erfahrung in der Bewertung von Fluidchemie, Anlagenbetrieb und typischen Schadensbildern. Bei Processtherm erfolgt diese Bewertung durch erfahrene Experten mit Praxisbezug zu Wärmeträgerflüssigkeiten. So können Standardanalytik, Sonderanalytik und daraus abgeleitete Maßnahmen gezielt und anlagenspezifisch empfohlen werden.