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Effiziente Wärmeübertragung mit Unistaten
Leistung ist nicht dasselbe wie Effizienz
Für den Anwender ist es wichtig, aussagekräftige Vergleiche anstellen zu können. Die DIN 12876 definiert dazu verschiedene Merkmale und Messmethoden. Diese sollten als Orientierung für Wärmethermostate und Kryostate herangezogen werden. Die so erfassten Merkmale ermöglichen einen zuverlässigen Vergleich der Leistung.
Verschiedene Konzepte
Auf dem Markt gibt es zwei Arten von Temperiergeräten. Neben den offenen Badthermostaten gibt es auch geschlossene Temperiersysteme, die manchmal auch als Prozessregelthermostate bezeichnet werden. Die letztgenannte Geräteklasse hat ihren Ursprung vor mehr als 25 Jahren mit dem "Unistat Tango". Das damals völlig neue Konzept des Unistat Tango brachte einen enormen technologischen Fortschritt in der Temperaturregelung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Badthermostaten arbeitete der "Unistat Tango" erstmals mit einem geschlossenen Temperaturregelkreis. Unistate sind Umwälzthermostate ohne Innenbad. Ein Ausdehnungsgefäß ersetzt das herkömmliche Bad zur Aufnahme der Wärmeausdehnung, hier findet die Volumenänderung statt. Die zu thermoregulierende Masse wird reduziert, was wiederum die Geschwindigkeit der Temperaturänderung erhöht. Mit diesen Eigenschaften sind Unistate prädestiniert für Temperieraufgaben in der Prozess- und Verfahrenstechnik, z.B. in Reaktoren, Autoklaven, Versuchsanlagen, Reaktionsblöcken und Kalorimetern.
Thermodynamik - wie schnell ist ein System?
Bei der Frage nach der Dynamik eines Temperaturreglers wird in der Regel die Heiz- oder Kühlleistung (kW) als Vergleichswert herangezogen. Die in den Thermostaten genutzte Leistung reicht jedoch für eine aussagekräftige Beurteilung nicht aus. Die zu thermoregulierende Systemmasse muss berücksichtigt werden. Für einen aussagekräftigen Vergleich eignet sich deshalb am besten die Kühlleistungsdichte (Watt/Liter) nach DIN 12876. Grundsätzlich gilt: Je größer die Kühlleistungsdichte, desto dynamischer (schneller) kann der Thermostat auf eine Temperaturänderungsanforderung reagieren.
Beispiel
Betrachten Sie zwei Temperiergeräte von verschiedenen Anbietern. Die Kühlleistung beider Geräte ist gleich, ebenso der Pumpendurchfluss (l/min) und beide Temperiergeräte sind an identische Anwendungen (z.B. Glasreaktoren) angeschlossen. Um eine Aussage über die Dynamik (Abkühl-/Aufheizzeit) machen zu können, kann man folgende Formel verwenden:
P = m * c *dT/dt
(P = Leistung; m = Gesamtmasse; c = spez. Heizleistung; dT = Temperaturdifferenz; dt = Zeit)
Umgeformt für die Abkühlzeit dt:
dt = m * c * dT/P
Der Ausdruck c * dT/P ist für beide Anwendungen derselbe. Es lohnt sich jedoch, einen genaueren Blick auf die Masse zu werfen.
Das Temperiergerät 1 hat eine Masse von 5 Kilogramm (Füllvolumen, nicht Eigengewicht des Geräts). Das Temperiergerät 2 hat eine Masse von 10 kg. Die Masse der äußeren Anwendungen beträgt 5 kg. Im ersten Fall ergibt sich eine Gesamtmasse von 10 kg (internes Füllvolumen plus externe Anwendung); im zweiten Fall müssen 15 kg gekühlt (bzw. geheizt) werden. Das Verhältnis ist 2:3, oder anders ausgedrückt: Temperiergerät 1 wird nur 2/3 der Zeit benötigt. Das heißt, die Zeitersparnis beträgt 33 %.
Das Beispiel zeigt, dass die Kühlleistung sicherlich ein wichtiger Faktor ist. Diese sollte aber auch auf das eingesetzte Temperierflüssigkeitsvolumen bezogen werden. Das Ergebnis ist die Kühlleistungsdichte, mit der man einen aussagekräftigen Vergleich anstellen kann (siehe DIN).
Die Temperiervariante 1 spart auch 1/3 der Temperierflüssigkeit und der Energie
Druck oder Durchflussmenge?
Die Durchflussmenge der Umwälzpumpe ist ein weiteres wichtiges Kriterium. Sie hat einen starken Einfluss auf den Wärmeübergang zwischen einer Umwälzpumpe und der Temperierflüssigkeit. Nach DIN sollte die Kühlleistung bei voller Pumpenleistung gemessen werden. Wird die Pumpenleistung reduziert, ist der Wärmeübergang geringer. Dies führt zu einer höheren Nettokühlleistung und ermöglicht niedrigere Temperaturen. Entscheidend für die meisten Anwendungen ist nicht die Druckleistung (bar), sondern der höchstmögliche Förderstrom (l/min). Letztlich geht es nicht darum, wie viel Power ein Thermostat erzeugt, sondern um die Effizienz der Wärmeübertragung zum oder vom Prozess. Die Leistung ist nutzlos, wenn sie nicht effizient an die Anwendung übertragen wird.
Umwälzpumpen sind idealerweise so ausgelegt, dass eine turbulente Strömung einen großen Wärmeübergangskoeffizienten (Alpha-Wert) und damit eine effiziente Wärmeübertragung zu/von den internen Wärmetauschern (Verdampfer und Heizung) erzeugt. In der Praxis wird in 90% aller Anwendungen Glas verwendet (Reaktoren, Destillationsapparate, etc.) und der zulässige Systemdruck beträgt in diesen Anwendungen maximal 0,5 bar. Aus diesem Grund bieten Unistat-Pumpen große Umwälzvolumen statt hoher Drücke, sie benötigen deutlich weniger (Pump-) Motorleistung, um hohe Fördermengen zu erreichen.
Installation von Temperaturkontrollgeräten und Anwendung
Die Installation und der Aufbau des Gesamtsystems werden oft als etwas fast Nebensächliches betrachtet. Dabei gibt es zahlreiche Aspekte, die einen direkten Einfluss auf die Temperierleistung haben. Ein Beispiel dafür ist, dass die Qualität und Beschaffenheit der Temperierschläuche einen direkten Einfluss auf die erzielbaren Leistungen hat. Wir bieten Metallschläuche mit glatten Innenwänden an. Diese Schläuche verbessern die Fließeigenschaften und damit den Wärmeübergang - was zu einer erheblichen Zeitersparnis beim Heizen oder Kühlen führt. Weitere Punkte, die sich negativ auswirken, sind Verengungen an Schlauchanschlüssen, unnötig lange Schläuche oder kleine Querschnitte der Schläuche oder Schlauchadapter.
Fallstudien für Leistungsvergleiche
Fallstudien sind oft hilfreich als Informationsquelle für Beschaffungsentscheidungen. In Fallstudien werden Heiz- und Kühlprozesse dokumentiert und typische Szenarien, wie das Regelverhalten bei einer Exothermie, demonstriert. Fallstudien ermöglichen eine zuverlässige Vorhersage, ob das Temperiergerät für den geplanten Einsatzzweck geeignet ist.
Zusammenfassung
Bei der Auswahl einer Umwälzpumpe sind mehrere Punkte zu beachten. Letztlich sind nicht nur die im Herstellerkatalog angegebenen Heiz- und Kühlleistungen relevant, vielmehr sollten Kriterien wie Kühldichte, Durchflussmenge und falls vorhanden, Fallstudien im Vordergrund stehen, da nur so eine realistische Einschätzung der Wärmeübertragungseffizienz möglich ist.
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