Wirtschaftlich Temperieren

Die optimale Lösung zur Temperierung von Reaktoren

Reaktortemperierungen erfordern den Einsatz hochdynamischer Temperiersysteme. Bei der Auswahl des passenden Temperiersystems kommt es auf die Berücksichtigung verschiedener Bedingungen und Einflussfaktoren an.

Reaktortemperierung
In der Praxis kommen Reaktoren aus Glas oder Stahl zum Einsatz. Stahlreaktoren sind robuster und stärker belastbar. Glasreaktoren bieten einen Blick ins Innere. Dafür erfordern sie umfangreichere Sicherheitsmaßnahmen beim Betrieb. Das Grundprinzip der Reaktortemperierung zeigt das nebenstehende Funktionsschema (Bild 1).

Bei der Auswahl eines hochdynamischen Temperiersystems ist optimale Funktionalität und größtmögliche Effizienz gefragt. Für ein Bewertungssystem bietet sich das Thema Sicherheit an, die Sicherheit des Bedienpersonals in dieser Betrachtung als oberste Forderung vorausgesetzt. Insgesamt bei drei weiteren Sicherheitskriterien ist für eine Entscheidung die größtmögliche Schnittmenge anzustreben: Die Sicherheit für den Prozess, die Sicherheit für die Investition und die sichere Bedienung des Temperiersystems (Bild 2).

Prozesssicherheit
Bei der Temperierung von Reaktoren werden die Ergebnisse schon durch Materialart und Konstruktion des Reaktors erheblich beeinflusst. Auch die Oberfläche und die Wandstärke haben enormen Einfluss auf die Erreichung einer hohen Genauigkeit beim Temperierprozess. Sehr wichtig ist, dass der Anwender immer für eine gute Durchmischung im Reaktor sorgt und damit eine gute Homogenität für einen optimalen Wärmeaustausch gewährleistet.

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Das Temperiersystem darf maximal zulässige Druckwerte während des Betriebes keinesfalls überschreiten. Vor der Inbetriebnahme einer Temperierlösung müssen die entsprechenden Grenzwerte des Reaktors eingegeben werden können.

Die maximal zulässige Temperaturdifferenz (Delta-T-Limit) beschreibt das Maximum zwischen den Temperaturen im Mantel und im Inneren des Reaktors. Am Temperiergerät sollten Sie daher auch die Grenzwerte für Delta-T-Limit pro Zeiteinheit eingeben können.

Im Temperiersystem beeinflussen folgende Komponenten die Prozesssicherheit:

  • Wärmetauscher
  • Pumpe
  • Regelelektronik

Die Temperierlösung muss die erforderlichen Kälte- und Heizleistungen liefern können. Diese bestimmen auch die Geschwindigkeit beim Erreichen bestimmter Sollwerte. Für die Ermittlung der benötigten Leistung sind die Masse des Temperierguts, erforderliche Temperaturunterschiede, gewünschte Abkühl- oder Aufheizzeiten sowie die spezifische Wärmekapazität des Temperiermediums zu berücksichtigen.

Die im Temperiersystem integrierte Pumpe muss leistungsstark sein und hohe Durchflussraten bei gleichbleibendem Druck erzielen. Die Pumpe sollte den erforderlichen Druck schnell und unter ständiger Kontrolle aufbauen. Spezielle Temperiersysteme haben Pumpen, die Viskositätsänderungen im Temperiermedium selbsttätig dynamisch ausgleichen und damit eine stetige Aufrechterhaltung der Energieeffizienz sicherstellen. Magnetgekoppelte Pumpen gewährleisten einen hydraulisch dichten Kühlkreislauf.

Eine ausgeklügelte Regelelektronik im Temperiersystem sollte permanent den Prozess im Reaktor und die internen Prozesse im System überwachen und kontrollieren, um die Regelgröße schnell und möglichst überschwingungsfrei wieder an den Sollwert nachzuführen. Ein Kriterium zur Bewertung der Regelelektronik ist der Aufwand für das Parametrieren. Optimale Temperiersysteme erfordern vom Anwender lediglich die Eingabe eines Sollwertes. Während des Temperiervorgangs sorgt dann die Regelelektronik selbstoptimierend für perfekte Ergebnisse.

Geräteinterne Expansionsgefäße müssen ausreichend groß dimensioniert sein. Zusätzlich sollte eine separate Kühlung des Expansionsgefäßes dafür sorgen, dass sich das Temperiergerät selbst nicht zu stark erhitzt und somit keine Verletzungsgefahren für den Anwender entstehen.

Ein Temperiersystem sollte auch bei erhöhten Raumtemperaturen zuverlässig arbeiten. +20 °C Umgebungstemperatur sind selten reelle Arbeitsbedingungen. Moderne Temperiersysteme verreichten auch bei über +35 °C immer noch zuverlässig ihre Arbeit.

Investitionssicherheit
Ein hochdynamisches Temperiersystem ist eine beträchtliche Investition. Die Kosten für Reaktoranlage und Temperiergut können noch deutlich höher liegen. Daher zählt bei der Auswahl eines Temperiersystems nicht allein der Return on Invest (ROI), sondern immer auch der Schutz der Anlage und des Temperiergutes.

Im Temperiersystem integrierte Pumpen sorgen somit für Investitionssicherheit, wenn sie Drücke kontrolliert aufbauen, um die Applikation zu schützen. Selbstschmierende Pumpen arbeiten verschleißfrei und bedeuten weniger Wartungsfälle, Folgekosten und Ausfallzeiten.

Ein großer Arbeitstemperaturbereich bedeutet als Investitionsaspekt Flexibilität, zum Beispiel um mehrere Versuchsreihen in kurzen Zeitabständen und mit unterschiedlichen Temperaturen mit ein und demselben Gerät zu fahren.

Luftgekühlte Geräte helfen, kostbares Kühlleitungswasser zu sparen.

Nicht monetär messbar und trotzdem ein Gewinn ist der Raumgewinn. Bei einem Temperiersystem ist nicht nur die reine Stellfläche interessant, sondern auch der Platzbedarf für Anschlüsse sowie für Zu- und Abluft. Raumoptimierte Temperiersysteme haben maximal an Vorder- und Rückseite Anschlüsse und Lüftungsschlitze (Bild 3).

Auch der Anwender muss einen Beitrag leisten, zum Beispiel durch vorbeugende Wartungsmaßnahmen.

Bediensicherheit
Die Bediensicherheit muss grundsätzlich der Betreiber der Anlage sicherstellen. Anspruchsvolle Hersteller von Temperiersystemen integrieren dennoch in ihre Temperiersysteme ständig bessere Möglichkeiten, um Anwender bei Installation, Inbetriebnahme und im Laboralltag zu unterstützen.

Moderne Temperiersysteme bieten Displays für eine übersichtliche Darstellung aller wichtigen Informationen und Hinweise im Klartext. Die integrierte Touchfunktion erleichtert die Bedienung. Mehrere Nutzerebenen mit Passwörtern verbessern die Verwaltung.

Moderne Schnittstellenstandards, wie Ethernet oder USB, bieten ideale Möglichkeiten, aus der Ferne auf alle Funktionen des Systems zuzugreifen.

Gängige Praxis sind ganze Versuchsreihen unter exakt gleichen Temperierbedingungen oder Wiederholungen mit genau den gleichen Regelparametern nach Fehlversuchen. Eindeutige Reproduzierbarkeit und Versuchsdokumentationen sollte ein Temperiersystem durch entsprechende Funktionen bereithalten.

Fazit
Abschließend sei vermerkt, dass zur Bewertung der optimalen Temperierlösung die Prozesssicherheit, die Investitionssicherheit und die Bediensicherheit alle wesentlichen Kriterien umfasst.

Das komplette Whitepaper und Checklisten zur Bewertung einer optimalen Temperierlösung finden Sie im Internet unter http://www.julabo.de/de/katalog-download.

Thomas Pohl, Marketing Communications Manager

Kontakt:
JULABO GmbH
Tel. +49 (0) 7823 51-180

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