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Leistung ist nicht gleich Effizienz Was beim Vergleich von Umwälzthermostaten zu beachten ist

| Autor / Redakteur: Michael Sauer* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Vieles gelingt im Labor erst mit der richtigen Temperatur. Durch den Einsatz eines Thermostats lässt sich diese gewährleisten. Doch worauf muss der Anwender bei der Auswahl des richtigen Systems achten? Ein differenzierter Blick auf einige Parameter lohnt sich.

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(Bild: Peter Huber Kältemaschinenbau )

Viele Forschungsaufgaben im Labor benötigen eine exakte Temperaturführung. Die Auswahl des richtigen Temperiergerätes gestaltet sich allerdings nicht immer einfach. Werbeaussagen wie „extrem schnell“ oder „hohe Kälteleistung“ sind wenig aussagekräftig und ermöglichen keine objektive Beurteilung. Ebenfalls schwierig: der Vergleich von Herstellerangaben, denn oft differieren die Messmethoden zur Ermittlung. Doch 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. So erfasste Kenndaten ermöglichen einen zuverlässigen Vergleich der Leistungsfähigkeit.

Unterschiedliche Konzepte am Markt vorhanden

Vergleicht man die am Markt erhältlichen Flüssigkeitstemperiergeräte, stellt man fest, dass es zwei Konzepte gibt. Neben den offenen Badthermostaten gibt es die geschlossenen Temperiersysteme, auch Prozessthermostate genannt. Die letztgenannte Geräteklasse wurde vor über 25 Jahren erstmals mit dem Unistat Tango ins Leben gerufen. Das damals völlig neue Konzept des Unistat Tango brachte einen großen technologischen Fortschritt beim Temperieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bad- und Umwälzthermostaten arbeitete der Unistat Tango 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 prädestiniert für Temperieraufgaben in der Prozess- und Verfahrenstechnik wie z.B. Reaktoren, Autoklaven, Miniplant-/Pilotanlagen, Reaktionsblöcke und Kalorimeter.

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Thermodynamik – wie schnell ist ein System?

Bei der Frage nach der Dynamik eines Temperiergerätes wird meist die Heiz- bzw. 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 Thermostat auf einen Temperaturänderungsbedarf reagieren.

Hierzu ein kleines Rechenbeispiel:

Gegenübergestellt werden zwei Temperiergeräte unterschiedlicher Anbieter. Die Kälteleistung beider Geräte ist gleich, ebenso die Förderleistung (l/min) und beide Temperiergeräte sind an identischen Applikationen (z.B. Glasreaktor) angeschlossen. Um eine Aussage der Dynamik (Abkühlzeit) machen zu können, wird folgende Formel genutzt:

P = m * c * dT/dt (P = Leistung; m = Gesamtmasse; c = spez. Wärmekapazität; dT = Temperaturdifferenz; dt = Abkühlzeit)

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:

Angenommen Temperiergerät 1 hat eine Masse von 5 kg (gemeint ist hier das 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%.

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

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