Was Temperiersysteme angeht, sind Werbeaussagen wie „extrem schnell“ oder „hohe Kälteleistung“ wenig aussagekräftig und ermöglichen keine objektive Beurteilung. Ebenfalls schwierig: der Vergleich von Herstellerangaben, denn oft differieren die Messmethoden zur Ermittlung. Welche Angaben sind wirklich wichtig und was ist für eine effiziente und exakte Temperierung zu beachten?
Eine gute Vergleichbarkeit von Produkten ist für Anwender essenziell. Die DIN 12876 definiert hierzu verschiedene Merkmale und Messmethoden, an denen sich die Kenndaten für Wärme- und Kältethermostate orientieren sollten. Kompetente Hersteller von Temperiergeräten messen ihre Leistungsdaten nach dieser Norm und weisen ihre Kunden gezielt darauf hin. So erfasste Kenndaten ermöglichen einen zuverlässigen Vergleich der Leistungsfähigkeit.
Unistate bringen technologischen Fortschritt
Einen großen technologischen Fortschritt beim Temperieren brachte die Einführung der Unistate vor mehr als 20 Jahren. Mit den Unistaten erhielt modernste Kälte- und Pumpentechnik Einzug. Das Resultat war eine optimierte Umwälzung mit erhöhten Durchflussmengen und dadurch eine deutlich verbesserte Wärmeübertragung. Aufgrund ihrer vorhersehbaren und reproduzierbaren Ergebnisse und der extrem schnellen Temperaturänderungsgeschwindigkeit sind Unistate prädestiniert für Anwendungen in der Prozess- und Verfahrenstechnik wie für die Temperierung von Reaktoren, Autoklaven, Miniplant-/Pilotanlagen, Reaktionsblöcken und Kalorimetern. Auch aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten überzeugen Unistate mit einem effizienten Energiemanagement zur Senkung der Betriebskosten und einer langen Lebensdauer der eingesetzten Temperierflüssigkeit.
Unterschiede zu konventionellen Thermostaten
Bei offenen Thermostatbädern, egal ob intern oder extern temperiert wird, ist die Badflüssigkeit zur Atmosphäre nicht abgedichtet, also offen und drucklos. Bei externer Temperierung muss das Badniveau auf beiden Seiten geregelt werden. Bei der typischen extern geschlossenen Temperierung, wobei das Objekt direkt oder indirekt mit dem Thermostatmedium in Berührung steht, ist das atmosphärisch offene Thermostatbad gleichzeitig Expansionsgefäß für thermisch bedingte Volumenänderungen. Mit dem Unistat-System ist eine umfassende Alternative zur bisher bekannten Temperiertechnik entstanden. Unistate sind sozusagen Umwälzthermostate ohne Temperierbad. Für thermisch bedingte Volumenänderung bei extern geschlossenen Systemen ersetzt ein Ausdehnungsgefäß das konventionelle Bad. Zur Temperierung offener Bäder wird das Expansionsgefäß einfach abgesperrt. Der Unistat wird dadurch hydraulisch dicht und kann – ohne Niveauproblem – unter den Tisch.
Durch dieses Prinzip verringern sich die zu temperierenden Massen und damit erhöhen sich die Temperaturänderungsgeschwindigkeiten. Unistate haben kleinste eigene Massen und erreichen deshalb Abkühlgeschwindigkeiten von mehreren hundert Kelvin pro Stunde.
Thermodynamik – wie schnell ist ein System?
Soll die Frage nach der Dynamik eines Temperiergerätes beantwortet werden, dann wird oftmals die Heiz- und Kälteleistung (kW) als Vergleichsgröße herangezogen. Die in Thermostaten erzeugte Leistung allein ist jedoch nicht ausreichend für eine sinnvolle Bewertung. Denn bei der Temperaturkontrolle eines Prozesses geht es nicht darum, wie viel Leistung ein Thermostat erzeugt, sondern viel mehr um die Effizienz der Wärmeübertagung zum Prozess. Generierte Leistung ist nutzlos, wenn keine effiziente Übertragung von und zu der Applikation stattfindet. Für einen aussagekräftigen Vergleich ist die Kälteleistungsdichte (W/l) gemäß DIN 12876 geeignet. Grundsätzlich gilt: Je größer die Kälteleistungsdichte, desto dynamischer (schneller) kann ein Thermostat auf einen Temperaturänderungsbedarf reagieren – ein wichtiger Faktor für die Prozesssicherheit.
Viele Anbieter werben allerdings ausschließlich mit der erzeugten Leistung ihrer Thermostate. Doch für eine gute Wärmeübertragung sind weitere Faktoren ausschlaggebend: Hat das Material gute Wärmeleiteigenschaften? Sind die Schläuche fachmännisch installiert? Stimmt die Temperaturdifferenz zwischen Reaktor und Mantel? Aber auch die Wahl des richtigen Wärmeträgerfluids beeinflusst die Übertragung. Das bei Unistaten häufig eingesetzte Fluid „DW-Therm“ beispielsweise, besitzt eine hohe Wärmekapazität (KJ/kg*K) und trägt damit zur optimalen Wärmeübertragung bei. Darüber hinaus deckt das Thermofluid einen großen Temperaturbereich ab und der hydraulisch geschlossene Flüssigkeitskreislauf bei Unistaten sorgt zudem dafür, dass das Fluid nicht in Kontakt mit der Atmosphäre kommt. Die Oxidation bei hohen Temperaturen bzw. der Feuchtigkeitseintrag bei tiefen Temperaturen wird dadurch reduziert.
Druck oder Fördermenge?
Ein weiteres Kriterium, das Beachtung finden sollte, ist die Umwälzpumpenleistung. Diese gibt Aufschluss über den Wärmestrom, der von einem Kältethermostaten aus der Temperierflüssigkeit abgeführt wird. Gemäß DIN ist die Kälteleistung bei voller Pumpenleistung zu messen. Das bedeutet, dass bei reduzierter Pumpenleistung der Wärmeeintrag geringer ist. 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 diese ist maßgeblich dafür verantwortlich, dass die erzeugte Wärme oder Kälte auch tatsächlich zur Anwendung transportiert werden kann.
Unistate gelten nicht zuletzt wegen ihrer Umwälzpumpentechnik als technologisch führende Lösung für effizientes Temperieren in der Prozesstechnik. Die Pumpen sind konsequent so konstruiert, dass maximale Umwälzung möglichst turbulente Strömung, einen großen Wärmeübergangskoeffizient (Alpha-Wert) und somit eine hocheffiziente Wärmeübertragung an den Wärmetauschern (Verdampfer und Heizung) ermöglichen. Bei Glasreaktoren und über 90 Prozent aller Anwendungen in der Praxis beträgt der zulässige Systemdruck weniger als 1 bar. Unistat-Pumpen erzeugen deshalb bevorzugt Umwälzmenge statt Umwälzdruck und benötigen dazu in der Regel eine deutlich geringere (Pumpen-)Motorleistung. Die Pumpenkennlinie verläuft im Gegensatz zu druckoptimierten oft magnetgekoppelten Pumpen mit starker Motorleistung flacher.
Die Kälteleistungsdaten von Unistaten sind immer bei voller Pumpendrehzahl angegeben. Dies ist bei anderen Marken häufig nicht der Fall. Hier gilt es die Kälteleistungsdaten genauer zu betrachten: Bei voller Pumpenleistung stehen je nach Herstellerangaben zwischen 200 und 900 W Kälteleistung weniger für den Temperierprozess zur Verfügung – auch die genannten Endtemperaturen werden mit voller Pumpenleistung nicht mehr erreicht.
Es gibt allerdings auch Applikationen, die konstruktionsbedingt enge Querschnitte und deshalb hohe Druckabfälle aufweisen. Diese Applikationen erfordern höhere Pumpendrücke. Nur in diesen Fällen machen Umwälzpumpen mit hohem Förderdruck Sinn. Eine Regelung und damit eine Reduzierung des Umwälzdrucks ist dann nicht erforderlich, weil auch bei diesen Systemen die bestmögliche Umwälzmenge für eine optimale Wärmeübertragung benötigt wird. Die Kältemaschinen müssen mehr Motorwärme der Pumpe (200-900 Watt) kompensieren, weshalb sie vergleichsweise stärker ausgelegt werden. Typische Anwendungen finden sich in der Flow-Through-Chemistry oder in der Semicon-Industrie.
Installation von Temperiergerät und Anwendung
Fast nebensächlich wird oftmals 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 deshalb Metall-Temperierschläuche mit glatter Innenwand erhältlich. Diese Schläuche verbessern das Strömungsverhalten und die Wärmeübertragung. Im Vergleich zu herkömmlichen Schläuchen mit gewellter Innenwand ergeben sich dadurch Zeiteinsparungen beim Aufheizen und Abkühlen. Versuche mit verschiedenen Reaktorsystemen haben gezeigt, dass sich die Aufheiz- und Abkühlzeiten je nach Anwendung um bis zu 30 Prozent verkürzen. Weitere Punkte mit negativer Auswirkung sind geknickte Schlauchverbindungen, unnötig lange Verbindungswege oder ein geringer Querschnitt der Schläuche beziehungsweise Schlauchadapter.
Fallstudien für Leistungsvergleiche
Als Informationsquelle für Kaufentscheidungen sind Fallstudien oftmals hilfreich. In den Fallstudien werden meist verschiedene Aufheiz- und Abkühlvorgänge dokumentiert sowie typische Szenarien wie das Regelverhalten bei einer Exothermie aufgezeigt. Geeignete Fallstudien erlauben dadurch eine verlässliche Vorhersage, ob sich das Temperiergerät für den geplanten Einsatzzweck eignet.
Bei der Auswahl eines Thermostaten gibt es einige Punkte zu beachten. Letztlich sind nicht nur die im Herstellerkatalog angegebenen Heiz- und Kälteleistungen relevant – vielmehr sollten Kriterien wie Kälteleistungsdichte, Fördermenge und das Vorhandensein von Fallstudien im Vordergrund stehen, denn nur damit ist eine praxistaugliche Beurteilung der Wärmeübertragungseffizienz möglich.
