Bient-Kühlsysteme, Umlaufkühler, Flüssig-zu-Flüssig-Kühlsysteme Es gibt so viele verschiedene Kühltechnologien, dass die Auswahl einer Kühltechnologie eine entmutigende Aufgabe sein kann. Diese einfache Schritt-für-Schritt-Anleitung erklärt die verschiedenen verfügbaren Arten von Kühlsystemen und zeigt auf, wie Sie das richtige Produkt für Ihre Anwendung auswählen können.
Überlegungen zur Auswahl eines Systems für Ihre Anwendung
Die erste Überlegung ist, ob Sie eine präzise Temperatursteuerung benötigen oder unterhalb der Umgebungstemperatur (Luft) kühlen müssen. Wenn Sie beides mit „Nein“ beantworten können, suchen Sie nach einem Kühlsystem, das einfach Hitzemengen abführt. Die kosteneffektivste Lösung ist ein Umgebungskühlsystem.
Die größten Kostentreiber für Aluminiumkühlplatten sind, nach den oben genannten, die Bearbeitungszeit und zusätzliche Verarbeitungsschritte. Kühlplattenhersteller haben typischerweise Kosten für die Bearbeitungszeit, die die Maschinen-Abschreibungskosten, Strom, Verbrauchsmaterialien und Wartung abdecken. Je länger die Kühlplatte daher in der Maschine sitzt, desto teurer wird sie. Jeder zusätzliche Verarbeitungsschritt treibt die Kosten weiter in die Höhe.
Umgebungskühlsysteme
Ein Umgebungskühlsystem ist das einfachste und wirtschaftlichste Kühlsystem. Es enthält einen Wärmetauscher, einen Lüfter, eine Pumpe und einen Tank in einem kompakten Paket. Die Pumpe zirkuliert die Flüssigkeit zu Ihrem System und zurück durch den Wärmetauscher, und der Lüfter bläst Umgebungsluft über den Wärmetauscher, um die Flüssigkeit zu kühlen.
Es gibt keinen Temperaturregelkreislauf, weshalb ein Umgebungskühlsystem keine voreingestellte Temperatur aufrechterhalten kann. Da die Umgebungsluft für die Kühlung sorgt, ist die Umgebungstemperatur die untere Grenze für die Flüssigkeitsaustrittstemperatur.
Obwohl sie einfach erscheinen, sind Umgebungskühlsysteme auf maximale Kapazität ausgelegt. Das umfassende Verständnis des Kühlsystemherstellers hinsichtlich der Leistung von Wärmetauschern ermöglicht es, die Flüssigkeits- und Luftdurchflussmenge leistungsmäßig aufeinander abzustimmen, um die beste Kühlleistung aus dem System herauszuholen. Die Rohrleitungen sind auf hohe Zuverlässigkeit ausgelegt und die Komponenten werden sorgfältig ausgewählt, um jegliche Probleme mit galvanischer Korrosion zu vermeiden. Ein serienmäßiges Umgebungskühlsystem ist extrem einfach zu nutzen – schließen Sie einfach die Flüssigkeitseinlass- und -auslassanschlüsse an Ihr Gerät an, füllen Sie den Tank und schalten Sie es ein!
Aber was, wenn Sie die Temperatur steuern oder unterhalb der Raumtemperatur kühlen müssen? Umlaufkühler und Flüssig-Flüssig-Kühlsysteme sind beides gute Alternativen.
Umlaufkühler
Umlaufkühler bieten eine präzise Temperatursteuerung (innerhalb von 0,1 °C) und eine Kühlung unterhalb der Umgebungstemperatur. Sie sind leise, decken ein breites Spektrum an Kühlkapazitäten ab und sind mit vielen verschiedenen Optionen und Zusatzfunktionen erhältlich. Umlaufkühler sind kompakt, leise und einfach zu installieren.
Umlaufkühler verwenden Kühlmittel zur Kühlung. Sie funktionieren auf ähnliche Weise wie Ihr Kühlschrank zu Hause, nur dass sie Wasser statt Luft kühlen. Der Prozesswasserkreislauf umfasst einen Verdampfer, einen Tank und eine Pumpe. Das Wasser wird beim Durchgang durch den Verdampfer durch das Kühlmittel gekühlt. Auf der anderen Seite des Verdampfers verdampft das Kühlmittel, um das Wasser zu kühlen, läuft dann durch einen Kompressor und einen Kondensator und gibt die Wärme an die Umgebungsluft ab.
Wenn die Wärmelasten hoch sind, können Kühler die Raumklimaanlage überlasten, da sie die Abwärme an die Umgebung abgeben. Eine Möglichkeit ist der Einsatz eines Kühlers mit einem flüssigkeitsgekühlten Kondensator. In diesem Fall wird das Kühlmittel durch betriebsseitig gekühltes Wasser anstelle von Luft gekühlt, was den Kühler leiser macht und Probleme bei der Raumerwärmung vermeidet.
Eine weitere Alternative für hohe Wärmelasten ist ein Flüssig-Flüssig-Kühlsystem.
Flüssig-Flüssig-Kühlsysteme (LCS)
Ein Flüssig-Flüssig-Kühlsystem kühlt unterhalb der Umgebungstemperatur ab und bietet eine ähnliche Temperaturstabilität wie ein Umlaufkühler. Anstatt die Abwärme in den Raum abzuleiten, überträgt es diese über einen Flüssig-Flüssig-Wärmetauscher auf gekühltes Anlagenwasser.
Der prozessseitige Kreislauf ist vollständig vom Anlagenwasser isoliert und schützt Ihre Geräte vor Temperatur- und Durchflussschwankungen des Anlagenwassers sowie vor eventuell vorhandenen Verunreinigungen. Da das Anlagenwasser für die Kühlung sorgt, ist die Anlagenwassertemperatur die untere Grenze für die Flüssigkeitsaustrittstemperatur.
Flüssig-Flüssig-Kühlsysteme sind für Anwendungen mit hoher Wärmebelastung beliebt, da sie kompakt sind – ungefähr 1/3 der Größe eines kühlmittelbasierten Kühlers ähnlicher Leistung. Ohne einen Kompressor sind sie auch sehr leise und energieeffizient.
Umlaufkühler oder Flüssig-Flüssig-Kühlsystem?
Für niedrige Wärmelasten sind Umlaufkühler in der Regel die einfachste Lösung, da die Installation so einfach ist. Bei hohen Wärmelasten sind Flüssig-Flüssig-Kühlsysteme kostengünstiger. Allerdings ist ihre Verwendung auf Situationen beschränkt, in denen gekühltes Anlagenwasser zur Verfügung steht. Die Notwendigkeit, sie mit dem Anlagenwasser zu verbinden, kann sich auf die Standorte, an denen sie eingesetzt werden können, und auf die Tragbarkeit der Geräte auswirken.
Wenn Sie hohe Wärmelasten haben und die Wärme an das Anlagenwasser abführen müssen, hängt die Wahl zwischen einem LCS und einem Umlaufkühler mit wassergekühltem Kondensator von Ihrer Solltemperatur ab. Wenn Ihre Solltemperatur höher ist als die maximale Anlagenwassertemperatur, ist ein LCS kostengünstiger. Wenn Sie jedoch nahe an oder unterhalb der Anlagenwassertemperatur kühlen müssen, benötigen Sie einen Kühler auf Kühlmittelbasis mit einem wassergekühlten Kondensator.
Auswahl eines modularen Kühlsystems
Anhand einer Berechnung ermitteln, welches System Sie brauchen
Die MSC-Leistung wird anhand von Q/ITD gegenüber der Durchflussmenge dargestellt. Q bezeichnet die Wärmebelastung, ITD ist der ursprüngliche Temperaturunterschied, beziehungsweise der Unterschied zwischen der Eintrittstemperatur der Flüssigkeit und der Temperatur der Umgebungsluft.
Sie müssen in einem ersten Schritt Q/ITD ermitteln, um das für Sie geeignete MCS-System auszuwählen. Anschließend müssen Sie im MCS-Leistungdiagramm bei dem errechneten Q/ITD-Wert eine horizontale Linie ziehen. Schließlich müssen Sie prüfen, ob die Pumpe den erforderlichen Durchfluss bietet.
Beispiel:
Ein Laser erzeugt 700 W Abwärme. Die Temperatur des aus dem Laser fließenden Wasser muss unter 35 °C liegen. Die Raumtemperatur beträgt 20 °C. Der Laser benötigt eine Durchflussmenge von mindestens 1 gpm. Finden wir heraus, welches MCS-System Sie auswählen sollten.
Bestimmen Sie zunächst Q/ITD Q/ITD = 700 W/(35°C-20°C) = 46,7 W/°C
Sie können im Wärmeleistungsdiagramm ablesen, dass MCS20 bei einer Durchflussmenge von über 0,5 gpm die benötigte Leistung bietet. Eine herkömmliche BB-Pumpe bietet mit 1,3 gpm eine ausreichende Durchflussmenge. Sollten Sie über eine alternative Pumpe nachdenken, errechnen Sie die Durchflussmenge dieser Pumpe bei einem gegebenen Druckabfall, um sicherzustellen, dass sie eine ausreichende Durchflussmenge bietet.
Auswahl eines Flüssig-Flüssig-Kühlsystems
Wie Sie berechnen, welches Flüssig-Flüssig-Kühlsystem für Ihre Anwendung geeignet ist
Bei den meisten Flüssig-Flüssig-Kühlanwendungen kennen wir die Temperatur des Anlagenwassers (TF), die gewünschte Solltemperatur des Prozesses (TP), die Durchflussrate durch den Prozess (P) und die Wärmebelastung (Q) des Prozesses.
Um die erforderliche Kapazität (Q/ITD) zu bestimmen, müssen wir zunächst die Temperaturänderung (ΔT) des Prozesses berechnen. Wir können dies entweder durch die Lösung der Wärmekapazitätsgleichung erreichen:
oder durch Verwendung der Wärmekapazitätsdiagramme, die in unserem Wärme-Nachschlagewerk zu finden sind.
Als nächstes berechnen wir Q/ITD, um die erforderliche Kühlleistung zu ermitteln. Q ist die Prozesswärmelast. ITD, die Anfangstemperaturdifferenz, ist die Temperaturdifferenz zwischen warmem Rücklaufwasser (TP+ ΔT) und kaltem Anlagenwasser (TF).
Schließlich ziehen wir die Leistungskurven des Flüssigkeitskühlsystems (LCS) heran, um die Durchflussrate des Betriebsprozesses zu bestimmen, die erforderlich ist, um die berechnete Q/ITD zu erzielen.
Beispielberechnung eines Flüssig-Flüssig-Kühlsystems
Ein Reflow-Lötofen erfordert einen Prozess-Sollwert von 20 °C. Die Wärmebelastung beträgt 10 kW und der Prozesswasserdurchsatz 5 gpm. Das Anlagenwasser hat eine Temperatur von 10 °C.
Unter Verwendung der Wärmekapazitätsdiagramme sehen wir, dass ΔT über den Prozess ungefähr 7,6 °C für die Bedingung 10 kW bei 5 gpm beträgt.
Wir können nun Q/ITD wie folgt lösen:
Anhand des LCS-Leistungsdiagramms können wir sehen, dass eine Betriebsdurchflussrate über 2 gpm die erforderliche Leistung erfüllen wird.
Schlussfolgerungen für die Auswahl eines Flüssigkeitssystems
Letztendlich bestimmen die erforderliche Kühlkapazität, die Temperaturstabilität, die Solltemperatur und die Verfügbarkeit des Anlagenkühlwassers, welches System zu verwenden ist. Wenn Sie weitere Unterstützung bei der Auswahl eines Kühlsystems wünschen, kontaktieren Sie unsere Wärme-Entwicklungsingenieure, um Ihre spezifischen Anwendungsanforderungen zu besprechen. Auf der Grundlage von Informationen wie Ihrer Wärmelast und der erforderlichen Durchflussrate können sie Ihnen sogar ein geeignetes Produkt empfehlen. 
