Von heiß zu kalt oder von kalt zu heiß: Beim Temperieren ist einiges zu beachten.

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Tipps für die Wahl der richtigen Temperiertechnik Richtig temperieren in 5 Schritten

13.06.2017

Viele Forschungsaufgaben im Labor benötigen eine exakte Temperaturführung. Die Auswahl des richtigen Temperiergeräts ist aber nicht immer so einfach. Aussagen wie „extrem schnell“ oder „hohe Kälteleistung“ sind wenig aussagekräftig und ermöglichen keine objektive Beurteilung. Ebenfalls schwierig ist der Vergleich von Herstellerangaben, denn oft differieren die Messmethoden zur Ermittlung. Die folgenden Tipps zeigen, was beim Vergleich von Wärme-Kälte-Umwälzthermostaten zu beachten ist.

Unterschiedliche Konzepte

Vergleicht man die am Markt erhältlichen Flüssigkeitstemperiergeräte, stellt man fest, dass es zwei Konzepte gibt. Neben den offenen Bad-
thermostaten gibt es die geschlossenen Temperiersysteme, auch Prozessthermostate genannt. Die letztgenannte Geräteklasse kam vor über 25 Jahren erstmals mit dem Unistat Tango auf den Markt. Das damalige Konzept brachte einen großen Fortschritt beim Temperieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bad- und Umwälzthermostaten arbeiteten die Geräte nun erstmals mit einem geschlossenen Temperierkreislauf. Unistate sind sozusagen Umwälzthermostate ohne Temperierbad. Für die thermisch bedingte Volumenänderung ersetzt ein Ausdehnungsgefäß das konventionelle Bad, dort findet die Volumenänderung statt. Durch dieses Prinzip verringern sich die zu temperierenden Massen und damit erhöhen sich die Temperaturänderungsgeschwindigkeiten. Unistate sind aufgrund dieser Eigenschaften geeignet für Temperieraufgaben in der Prozess- und Verfahrenstechnik wie Reaktoren, Autoklaven, Miniplant-/Pilotanlagen, Reaktionsblöcke und Kalorimeter.

Thermodynamik – wie schnell ist ein System?

Bei der Frage nach der Dynamik eines Temperiergerätes wird meist die Heiz- beziehungsweise Kälteleistung (kW) als Vergleichsgröße herangezogen. Die im Thermostaten erzeugte Leistung ist allein jedoch nicht ausreichend für eine sinnvolle Bewertung. Ein ebenso wichtiger Aspekt ist die zu temperierende Masse. Für einen aussagekräftigen Vergleich ist daher die Kälteleistungsdichte (Watt/Liter) gemäß DIN 12876 am besten geeignet. Grundsätzlich gilt: Je größer die Kälteleistungsdichte, desto dynamischer (schneller) kann ein Thermo-
stat auf einen Temperaturänderungsbedarf reagieren.

Hierzu ein kleines Rechenbeispiel: Nehmen wir an, wir haben zwei Temperiergeräte unterschiedlicher Anbieter. Die Kälteleistung beider Geräte ist gleich, ebenso die Förderleistung (l/min), und beide Temperiergeräte sind an identischen Applikationen (zum Beispiel ein Glasreaktor) angeschlossen. Um eine Aussage der Dynamik (Abkühlzeit) machen zu können, nutzt man die Formel P = m * c *dT/dt (P = Leistung ; m = Gesamtmasse ; c = spez. Wärmekapazität ; dT = Temperaturdifferenz ; dt = Abkühlzeit). Umgestellt auf die Abkühlzeit Zeit dt: dt = m * c * dT/P.

Hierbei ist bei gleicher Temperieraufgabe und Flüssigkeit der Ausdruck c * dT/P für beide Anwendungen gleich. Bei der Masse hingegen lohnt sich ein genauerer Blick. Wir nehmen hierzu an, Temperiergerät 1 hat eine Masse von 5 kg (Füllvolumen, nicht das Eigengewicht des Gerätes). Temperiergerät 2 hat eine Masse von 10 kg. Die Masse der externen Applikation beträgt 5 kg. Im ersten Fall ergibt sich eine Gesamtmasse von 10 kg (internes Füllvolumen plus externe Applikation), im zweiten Fall müssen 15 kg abgekühlt (oder aufgeheizt) werden. Das Verhältnis ist 2:3, oder anders ausgedrückt: Man benötigt mit Temperiergerät 1 lediglich 2/3 der Zeit. Die Zeitersparnis liegt also bei 33 Prozent.

Das Beispiel zeigt, dass die Kälteleistung sicherlich eine wichtige Größe ist. Allerdings sollte man diese dann auf die eingesetzte Temperierflüssigkeitsmenge beziehen. Als Ergebnis erhält man die Kälteleistungsdichte und diese kann dann aussagekräftig verglichen werden (siehe DIN). Übrigens: Temperiergerät 1 spart auch jeweils 1/3 der Temperierflüssigkeit und der Energie.

Druck oder Fördermenge?

Ein weiteres wichtiges Kriterium ist die Förderleistung der Umwälzpumpe. Diese hat starken Einfluss auf den Wärmestrom, der von einem Kältethermostaten aus der Temperierflüssigkeit abgeführt werden kann. Gemäß DIN ist die Kälteleistung bei voller Pumpenleistung zu messen. Bei reduzierter Pumpenleistung ist der Wärmeeintrag durch den Pumpenmotor geringer. Dies führt zu mehr Netto-Kälteleistung und ermöglicht tiefere Temperaturen. Wichtig für die meisten Anwendungsfälle ist nicht die Druckleistung (bar), sondern eine möglichst hohe Fördermenge (l/min). Denn bei der Temperierung geht es letztlich nicht darum, wie viel Leistung ein Thermostat erzeugt, sondern vielmehr um die Effizienz der Wärmeübertragung zum Prozess. Generierte Leistung ist nutzlos, wenn diese nicht effizient zur Applikation übertragen wird.

Umwälzpumpen sind idealerweise so ausgelegt, dass eine turbulente Strömung einen großen Wärmeübergangskoeffizient (Alpha-Wert) und somit eine effiziente Wärmeübertragung an den internen Wärmetauschern (Verdampfer und Heizung) erzeugt. Bei über 90 Prozent aller Anwendungen in der Praxis kommt Glas zum Einsatz (Reaktoren, Destillationsapparaturen), der zulässige Systemdruck beträgt bei diesen Anwendungen maximal 0,5 bar. Unistat-Pumpen erzeugen deshalb bevorzugt Umwälzmenge statt Umwälzdruck und benötigen dazu in der Regel eine deutlich geringere (Pumpen-)Motorleistung.

Installation von Temperiergeräten und Anwendung

Fast nebensächlich wird oft die Installation und der Aufbau des Gesamtsystems betrachtet. Dabei gibt es auch hier zahlreiche Aspekte, die unmittelbaren Einfluss auf die Temperierleistung haben. So wirken sich beispielsweise Qualität und Beschaffenheit der Temperierschläuche direkt auf die erzielbaren Leistungen aus. Für Unistate sind beispielsweise Metall-Temperierschläuche mit glatter Innenwand erhältlich. Diese Schläuche verbessern das Strömungsverhalten und somit die Wärmeübertragung – dadurch ergeben sich deutliche Zeiteinsparungen beim Aufheizen und Abkühlen. Weitere Punkte mit negativer Auswirkung sind gequetschte Schlauchverbindungen, unnötig lange Verbindungswege oder ein geringer Querschnitt der Schläuche beziehungsweise Schlauchadapter.

Fallstudien für Leistungsvergleiche

Als Informationsquelle für Kaufentscheidungen sind oft auch Fallstudien hilfreich. Hier werden Aufheiz- und Abkühlvorgänge dokumentiert sowie typische Szenarien wie zum Beispiel das Regelverhalten bei einer Exothermie aufgezeigt. Fallstudien ermöglichen eine verlässliche Vorhersage, ob sich das Temperiergerät für den geplanten Einsatzzweck eignet.

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