Pumpenauslegung bei Temperieraufgaben So entscheidend ist der Volumenstrom für Applikationen

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Peter Huber Kältemaschinenbau AG

Wann immer Applikationen gekühlt oder geheizt werden müssen, ist die korrekte Auslegung des Systems entscheidend. Dabei muss aber nicht nur die Heiz- und Kälteleistung des Temperiergerätes betrachtet werden, auch der Volumenstrom ist eine wichtige Größe für den optimalen Betrieb einer Applikation.

Bei Planung, Auslegung, Aufbau und beim Betrieb von einer Standardapplikation in chemischen und chemisch-pharmazeutischen Laboren, bestehend aus Temperiergerät, Doppelmantelgefäß, Thermofluid und Temperierschläuchen, werden oft elementare Fehler begangen. Dies führt zu einer suboptimal arbeitenden Gesamtanwendung, mit der der Anwender jedoch in vielen Fällen zurechtkommen muss.

Die in einem Pflichtenheft stehenden Vorgaben können zwar bei der Auslegung theoretisch berechnet werden, aber erst der Praxistest zeigt dann das Ergebnis des Zusammenspiels der einzelnen Komponenten. Stimmt die Praxis nicht mit der Theorie überein, suchen die Verantwortlichen nach Erklärungen und stellen Theorien auf, die aber nicht immer überzeugen können.

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In diesem Beitrag wird das Thema Volumenstrom bei der Temperierung eines Doppelmantel-Gefäßes behandelt. Es ist dabei wichtig, sich vor Augen zu führen, dass die Heizleistung und die Kälteleistung entscheidende Größen für die Auslegung von Temperiergeräten sind. Nach wie vor verlassen sich allerdings Verantwortliche, die Gesamtanlagen planen und projektieren, oft nur auf die Leistungsdaten und lassen andere Größen außer Acht.

Dem Planer sollte allerdings bewusst sein, dass es einen Zusammenhang der Leistungsübertragung bei unterschiedlichen Volumenströmen gibt. Ein Trugschluss ist z.B. die Annahme, dass die Leistungsübertragung in erster Linie vom „Wärmedurchgang“ des Doppelmantelgefäßes abhängig ist und der Volumenstrom nur eine untergeordnete Rolle spielen würde. Es stimmt zwar, dass der „Wärmedurchgang“ eine wichtige Rolle spielt, wenn aber das Doppelmantelgefäß vorgegeben ist, spielt auch der Volumenstrom eine sehr wichtige Rolle. Da er einen erheblichen Einfluss auf die Leistungsübertragung hat, darf der Volumenstrom nicht unterschätzt oder ignoriert werden.

Bei solchen nicht optimal funktionierenden Applikationen kann es zu Kundenreklamationen kommen, bei denen nicht selten versucht wird, die Fehler den Anwendern in den Laboren anzulasten.

Prinzipiell gilt für die Temperierung von Applikationen mittels Temperiergeräten: Je höher der Volumenstrom, desto mehr Energie kann transportiert und ausgetauscht werden.

Bedeutung des Volumenstroms bei der Leistungsübertragung

Im Bereich der Temperiergeräte-Auslegung existieren zwei unterschiedliche Ansätze: Es gibt Temperiergeräte mit hohem Volumenstrom und eher niedrigem Druckaufbau, daneben gibt es Temperiergeräte mit geringem Volumenstrom und hohem Druckaufbau. Auch wenn bei letztgenannten ein kleiner Druck durchaus eingestellt werden kann, verschenkt man hier Leistung. Weniger Druck bedeutet bei diesen Temperiergeräten einen noch geringeren Volumenstrom.

Wie lässt sich die Aussage „hoher Volumenstrom bedeutet bessere Leistungsübertragung“ aber belegen? In Abbildung 1 sind Kennlinien von Pumpenkurven dargestellt. Ideal ist hierbei eine Pumpenkurve mit möglichst hohem Volumenstrom bei wenig Pumpendruck. Denn Doppelmantelgefäße aus Glas können bei zu hohem Pumpendruck zerstört werden.

Das führt zu der Annahme, dass bei Glasreaktoren z.B. eine Standard Unistat-Pumpe (grüne Kurve in Abb. 1) von Vorteil ist, da diese einen hohen Volumenstrom bei relativ geringem Pumpendruck liefert und somit die Energie deutlich schneller transportiert, als Pumpen mit hohem Pumpendruck und wenig Volumenstrom.

Um diese Behauptung sicher und eindeutig belegen zu können, müsste man an der Kundenapplikation die zu vergleichenden Temperiergeräte anschließen und dann unter gleichen Vorgaben und Bedingungen testen. In dieser Betrachtung sollten deshalb die Heizleistung und Kälteleistung vergleichbar sein, der Volumenstrom jedoch unterschiedlich. Dies zu testen wäre jedoch zeitaufwändig und damit auch teuer. Kaum ein Endkunde wird sich die Zeit hierfür nehmen können, auch wenn es Sinn macht.

Wie lässt sich die obige Behauptung dennoch belegen? Eine Antwort auf diese Frage gibt ein Temperiergerät mit variabler Pumpendrehzahl. Damit lassen sich die Heizleistung und Kälteleistung konstant halten und der Volumenstrom lässt sich variabel über die Pumpendrehzahl einstellen. Der Versuchsaufbau (s.Abb. 3) ist relativ einfach gehalten: Ein Glasreaktor wird mittels Temperiergerät (Petite Fleur von Peter Huber Kältemaschinenbau AG) betrieben.

Beobachtet und beurteilt wird in Abbildung 2 die Manteltemperatur (Vorlauftemperatur, grüne Kurve). Der Temperatursollwert (weiße Kurve) wird zwischen den beiden Werten 20°C und 5°C entsprechend vorgegeben. Der Volumenstrom wird via Pumpendrehzahl (purpurne Kurve) dargestellt. Im ersten Drittel der Messung liegt die Pumpendrehzahl bei 3.000 U/min. Im zweiten Drittel bei 2.250 U/min und im dritten Drittel bei 1.500 U/min.

Ergebnis: Sowohl die Anregelzeit, als auch die Ausregelzeit sind im ersten Drittel am besten. Sehr schnell werden bei einem Sollwertsprung der untere und der obere Temperatursollwert erreicht. Im ersten Drittel wird z.B. der Temperatursollwert bei einem Temperatursprung von 5°C auf 20°C in etwa drei bis vier Minuten erreicht. Im dritten Drittel dauert es hingegen sieben bis acht Minuten. Die Behauptung, dass ein hoher Volumenstrom ein besseres Temperierergebnis liefert, wird mit diesen Ergebnissen belegt.

Darüber hinaus liefert ein hoher Volumenstrom auch ein besseres Regelergebnis. Dies lässt sich durch Abbildung 2 illustrieren. Im ersten Drittel werden die Solltemperaturen schon nach wenigen Minuten erreicht. Im zweiten Drittel sind die Ergebnisse bereits schlechter. Im dritten Drittel sind die Ergebnisse sehr schlecht, da hier die Solltemperaturen erst nach deutlich längerer Zeit ausgeregelt werden. Dies hat nicht nur Auswirkung auf die Manteltemperatur, sondern selbstverständlich auch auf die Prozesstemperatur. Denn weniger Leistungsübertragung bei der Manteltemperatur bedeutet auch weniger Leistungsübertragung bei der Prozesstemperatur.

Fazit: Volumenstrom bei der Applikationsplanung berücksichtigen

Der Volumenstrom ist, neben der Heizleistung und Kälteleistung, bei der Auslegung und beim Aufbau einer Applikation unbedingt gleichwertig zu berücksichtigen. Dabei ist zu beachten, dass auch zu lange Temperierschläuche oder solche mit zu kleinen Querschnitten den Volumenstrom drosseln und sich daher nachteilig auf den Versuchsaufbau auswirken.

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