Betriebszustände
Quelle: de Dietrich Remeha GmnH
In letzter Zeit kommt wieder immer mehr das Steamback-Verfahren (Verdampfungs- oder Stagnations-System) zum Einsatz, das lange Zeit in Vergessenheit geraten war, weil die "Hochdruckprediger" in der Überzahl waren. Bei diesem Verfahren wird das Wasser-Glykol-Gemisch wenig beansprucht, weil die Verdampfung aufgrund des geringen Anlagendruckes niedrig gehalten wird. Durch die niedrige Verdampfungstemperatur (ca. 110 °C) kann das Frostschutzmittel nicht auscracken. Der Vordruck des MAG's ist 0.2 bar über dem statischen Druck und der Fülldruck im kalten Zustand liegt 0.1 bar über dem Vordruck.
Wenn es in einer thermischen Solaranlage zur Stagnation der Solarflüssigkeit kommt, dann erwärmt dabei sich die Flüssigkeit sehr schnell. Aber die sich ausdehnende Flüssigkeit kommt nicht sofort in das Membranausdehnungsgefäß, sondern es handelt sich um ein länger andauernden Verdampfungsprozess des Fluids (Solarflüssigkeit) im Absorber. Wichtige Faktoren für diesen Vorgang sind die Kollektorverschaltungen, die Rohrführung, die Armaturen- und Gefäßanordnung. Sehr selten wird durch Ausfallen der Regelung oder der Pumpe ein Stagnationsfall verursacht. Wenn es aber zur Stagnation kommt, dann muss die Anlage richtig gebaut sein, damit sie eigensicher ist.
Je höher der Deckungsanteil der Anlage ist, desto größer ist das Überangebot an Energie, was in den Sommermonaten zum Stillstand führt, weil die Kollektorfläche für die Last im Sommer überdimensioniert ist. Die Regelung schaltet die Pumpe aus. Um unerwünschte Effekte (Temperaturbelastungen anderer Komponenten) durch Stagnation zu vermeiden, muss die Restflüssigkeitsmenge reduziert werden. Das hängt von der Konstruktion der Anlage ab. Dabei geht es z.B. um die Verschaltung im Kollektorfeld (Einfluss auf das Entleerungsverhalten), die Position der Anschlussleitungen am Kollektorfeld und die Positionierung des Rückschlagventils relativ zum Anschluss des Membrandruckausdehnungsgefäßes (MAG).
Es gilt: Einer der beiden Anschlüsse an das Kollektorfeld muss nach unten weggeführt werden; für die interne Verschaltung muss mindestens einer der beiden Kollektoranschlüsse auf der Unterseite des Kollektors herausgeführt werden.
Wenn eine Anlage ohne Dampfbildung gewünscht wird, dann bietet sich das Drain-Back-System (DBS) an. Hier werden die Kollektoren vor dem Erreichen der Verdampfungstemperatur entleert.

Plattenabsorber
Das Entleerungsverhalten der Plattenabsorber hat einen Entleerungsfaktor von 100%. Fast so gut ist der Entleerungsfaktor beim Fahnenabsorber mit vertikaler Rohranordnung. Danach folgen Fahnenabsorber mit horizontalen Absorberrohren und Vakuumröhrenkollektoren mit Kollektoranschlüssen am oberen Ende des Kollektors. Im Fall eines ungünstigen Entleerungsverhaltens kann die hohe thermische Belastung der Solarflüssigkeit nicht vermindert werden.

Fahnenabsorber
Schäden durch zu hoher Temperatur bzw. hohem Druck
Alterung der Solarflüssigkeit
Beim Normalbetrieb und bei gutem Entleerungsverhalten des Kollektors treten keine sehr hohen Temperaturen (max. bis 100 °C) auf bzw. ist die Einwirkung auf das Medium kurzfristig und betrifft nur eine kleine Menge. In diesem Fall findet nur das Verdampfen von Wasser statt.
Im Stagnationsfall dagegen sind in Flachkollektoren Temperaturen von ca. 200 °C möglich und bei den Anlagen mit Vakuum-Röhrenkollektoren können Temperaturen von über 300 °C erreicht werden. Eine schlechte Entleerung hat zur Folge, dass die Restflüssigkeit nicht mehr verdampft und über sehr lange Zeit wesentlich höheren thermischen Belastungen (höher als der Siedepunkt des reinen Glykols) ausgesetzt wird. Die Alterung des Wärmeträgers zeichnet sich durch Dunkelfärbung und eine Absenkung des pH-Wertes aus, die sich bei Stagnation in wenigen Stunden bei den Vakuum-Röhrenkollektoren einstellt. Dabei können sich vermehrt feste, nicht wieder auflösbare, dunkle Rückstände bilden.

feste Partikel
Je nach Inhibitorzusammensetzung werden diese vollständig, teilweise oder gar nicht vom Medium wieder aufgenommen (Wasser und Propylenglykol sind verdampfbar; die Inhibitoren kristallisieren auf den Absorberrohroberflächen). Somit führen sie zu einer verminderten Kollektorleistung. Die Inhibitorkonzentration im Medium bzw. der Korrosionsschutz verringern sich. Deshalb wurden Wärmeträger, die auf flüssigen Inhibitoren basieren, auf den Markt gebracht (Tyfocor LS, Antifrogen SOL). Aus chemischer Sicht wird das Propylenglykol durch oxidative Prozesse abgebaut, wobei Reaktionsprodukte wie Milchsäure, Oxalsäure, Essigsäure und Ameisensäure nachweisbar sind. Es entstehen auch Aldehyde und diese führen zu einer Geruchsbildung.

ausgecrackte Solarflüssigkeit


Solarfluid: Ausgangszustand (pH 8,2)
und stark gealtert (pH 6,8) - Zerstörtes Solarfluid mit unlöslichen Zersetzungsprodukten
Quelle: BDH


Erscheinungsbild temperaturbelasteter
Solarfluide
Quelle: Clariant International Ltd.

Verzunderung
In einer thermischen Solaranlage kann es zu einer Sauerstoffbildung durch Zunder in den Kollektoren und an den Rohrwandungen der Kupferleitungen kommen. Zunder entsteht auf der einen Seite durch das Hartlöten der Kupfer-, Messing- und Rotgussteile und auf der anderen Seite auch durch die Sonneneinstrahlung auf die leeren Kollektoren. Das ist dann der Fall, wenn die unbefüllten Kollektoren ungeschützt, also ohne Abdeckung über längere Zeit der Einstrahlung ausgesetzt sind. Die Gründe für entleerte Kollektoren können ein Flüssigkeitsverlust sein oder sie sind durch eine Stagnation leergedrückt. Hier sollte auf jeden Fall jede Anlage schon vor der Befüllung fachgerecht gespült und gereinigt werden. Außerdem ist die Solarflüssigkeit regelmäßig überprüft werden, um entsprechende Maßnahmen einleiten zu können.
Vercrackung
Eine Vercrackung (Spaltung) ist eine thermische Zersetzung  von organischen Stoffen, die zu nieder- und höhermolekularen Verbindungen und zu Kohlenstoff führen kann. In thermischen Solaranlagen treten im Stagnationsfall hohe Temperaturen auf. So können in Anlagen mit Vakuumröhrenkollektoren Temperaturen von über 300 °C und mit Flachkollektoren von ca. 200 °C auftreten. Die Folgen sind ein Verstopfen der Kollektoren und Leitungen. Außerdem ist der Korrosionsschutz des Wärmeträgers aufgehoben.
In Anlagen, die auf eine Stagnation ausgelegt werden, sollten höhersiedende Glykole (z. B. Antifrogen® SOL HT ) eingesetzt werden.

Durch eine Verzunderung (Oxidation) und einer Vercrackung (Überhitzung) können die schützenden Bestandteile der Solarflüssigkeit sehr schnell verbraucht werden crackt aus. Die Übersäuerung der Flüssigkeit ist korrosiv und führt zur Bildung von teerartigen Zersetzungsprodukten, die nicht mehr löslich sind und zu Verklebungen innerhalb des Solarkreises bis hin zur Zerstörung der Solaranlage führen können. Diese Gesichtspunkte werden bei Stagnationsanlagen viel zu wenig beachtet.

Vercracktes Glykol – ein unterschätztes Phänomen - Dr. Achim Stankowiak,  Leitung Anwendungstechnik  Clariant (Deutschland)

Wenn die Solarflüssigkeit in einer thermischen Solaranlage vercrackt wurde und dadurch teerartigen Zersetzungsprodukten vorhanden sind, dann muss sie mit einem geeigneten Reinigungsmittel (z. B. Solarclin®) beseitigt werden.
Mit dieser neutralen, farblosen, schwach hygroskopischen, leicht beweglichen, hochsiedenden Flüssigkeit wird das System befüllt und bei 50 – 60 °C ein bis zwei Stunden lang umgewälzt. Vor der Spülung müssen die Kollektoren abgedeckt und die überhitzte Solarflüssigkeit möglichst vollständig aus der Solaranlage entfernt werden. Je nach dem Verschmutzungsgrad ist die Spülung mehrfach zu wiederholen. Nach der Reinigung muss die Reinigungsflüssigkeit vollständig entleert werden. Oft sind Restmengen durch Druckluft auszublasen.

SOLARCLIN® - Reinigungsmedium für thermische Solaranlage - TYFOROP Chemie GmbH
Frostschutzmittel sollen eine physiologisch unbedenkliche, eingefärbte, klare Flüssigkeit auf Basis einer wässerigen Lösung von 1,2-Propylenglykol und höheren Glykolen, die als Wärmeträger in Solaranlagen, speziell bei höherer thermischer Belastung, Verwendung findet. Das Produkt soll mit entionisiertem (vollentsalztem) Wasser (VE-Wasser) auf eine Frostsicherheit von ca. -27 °C eingestellt. Die Anforderungen der DIN 4757, Teil 3, für solarthermische Anlagen werden dann erfüllt.

Es wurden spezielle Frostschutzmittel für den Einsatz in Solarkollektoren als Wärmeübertragungsmedium (Solarflüssigkeit) entwickelt. Sie sind gesundheitsunschädlich und haben eine doppelte Aufgabe zu erfüllen: Bei tiefen Temperaturen im Winter muß die Sole flüssig bleiben und gleichzeitig die Metalle der Solaranlage vor Korrosion schützen. Auch darf sich das Fluid nicht entmischen, damit die Frostsicherheit bestehen bleibt.
Auch im Primärkreis von Sole/Wasser-Wärmepumpen werden Frostschutzmittel auf Glykol-Basis eingesetzt. Diese müssen einen Frostschutz bis mindestens -15 °C sicherstellen und geeignete Inhibitoren für den Korrosionsschutz beinhalten. Fertiggemische gewährleisten eine gleichmäßige Verteilung der Konzentration. Hier wird z. B. Wärmeträgermedium "Tyfocor" auf Basis von Ethylenglycol (Fertiggemisch bis -15 °C, grün) empfohlen. Wichtig ist eine genaue Dosierung, da besonders dieses Sole/Wasser-Gemisch zu einem Wachstum von Mikroorganismen (Biofouling) führen kann.

Da Wasser-Frostschutzmittel eine höhere Viskosität und Dichte besitzen, muß mit einem höheren Druckabfall beim Durchströmen der Anlage gerechnet werden. Zum Berechnen der Zuschläge gibt es Diagramme für die Wärmeübergangszahl und den relativen Druckverlust – im Vergleich mit reinem Wasser. Diese Kurven sowie weitere physikalische Daten befinden sich in den technischen Unterlagen der Hersteller. Außerdem hat ein Wasser-Glykol-Gemisch einen höheren Ausdehnungskoeffizient.

  
Kubischer Ausdehnungskoeffizient von GLYKOSOL N-Wasser-Gemischen und Pekasol L-Wasser-Gemische
Quelle: pro Kühlsole


Frostschutzmittel enthalten Korrosionsinhibitoren, die die Metalle der Solaranlage, auch bei Mischinstallation, vor Korrosion dauerhaft schützen Zur Prüfung der Wirksamkeit der Inhibitorenkombination sollte die in Fachkreisen bekannte Korrosionsprüfmethode ASTM D 1384 (American Society for Testing and Materials) zur Anwendung kommen. Glykol-Wassergemische ohne Zusatz von Inhibitoren können wegen der korrosionsfördernden Eigenschaften, die stärker als bei Wasser allein sind, nicht verwendet werden.
Je nach Inhibitorzusammensetzung werden diese vollständig, teilweise oder gar nicht vom Medium wieder aufgenommen (Wasser und Propylenglykol sind verdampfbar; die Inhibitoren kristallisieren auf den Absorberrohroberflächen). Somit führen sie zu einer verminderten Kollektorleistung. Die Inhibitorkonzentration im Medium bzw. der Korrosionsschutz verringern sich. Deshalb wurden Wärmeträger, die auf flüssigen Inhibitoren basieren, auf den Markt gebracht (Tyfocor LS, Antifrogen SOL). Aus chemischer Sicht wird das Propylenglykol durch oxidative Prozesse abgebaut, wobei Reaktionsprodukte wie Milchsäure, Oxalsäure, Essigsäure und Ameisensäure nachweisbar sind. Es entstehen auch Aldehyde und diese führen zu einer Geruchsbildung.
Unterhalb einer vom Hersteller festgelegten Konzentration kann es zu einem Wachstum von Mikroorganismen (Biofouling) in der Sole kommen, welche zu organischen Ablagerungen führen können. Die Frostsicherheit sollte auf einen Stockpunkt von -34 °C (entsprechender Eisflockenpunkt: -27 °C) eingestellt werden. Wie Versuche ergaben, übt diese Einstellung unter mitteleuropäischen Winterbedingungen keine Sprengwirkung auf metallische Anlagenbauteile aus, da sich beim Abkühlen unterhalb des Kristallisationspunktes ein Eisbrei bildet. Bei Wasserzusätzen verringert sich natürlich die Frostsicherheit.
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