Temperaturkontrolle bei Kühlern


Schnellanforderung


Wie Umlaufkühler eine konstante Temperatur gewährleisten

Industriekühler werden üblicherweise genutzt, um eine Flüssigkeit bei konstanter Temperatur durch einen geschlossenen Regelkreis mit flüssigkeitsgekühlten Komponenten fließen zu lassen, um die Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit zu fördern. Zu den herkömmlichen Komponenten von Kühlern zählen eine Pumpe, um die Flüssigkeit zirkulieren zu lassen, ein Reservoir, um kühle Flüssigkeit im Kühler aufzubewahren, sowie ein Kühlsystem zur Kühlung der Flüssigkeit und ein Modul zur Temperatursteuerung. (Siehe Abbildung 1.)

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Herkömmliche Standard-Temperaturregler können als Module zur Temperatursteuerung genutzt werden. Temperaturregler werden von unzähligen Herstellern mit zahlreichen Optionen angeboten. Jeder Temperaturregler verfügt über eine Temperaturanzeige, ist auf eine Schalttafel montiert und kann Temperatureingänge von Widerstandstemperatursensoren (Resistance Temperature Detectors, RTD) oder Thermoelementen annehmen. Darüber hinaus sind viele verschiedene Kommunikationsoptionen verfügbar. Eine praktische Auto-Tune-Funktion vieler Temperaturregler ist die Proportional-Integral-Differential-Regelung (PID). Diese bietet dem Benutzer den Vorteil, dass der Temperaturregler optimal und selbständig auf Systemstörungen reagiert. Zu den möglichen Störungen zählen unterschiedliche Prozessbelastungen, Änderungen der Sollwerte und Geräuschentwicklungen. Nach Abschluss des Autotunings muss der Benutzer möglicherweise einige weitere Anpassungen an den Parametern vornehmen, um sicherzustellen, dass die Temperatur der Prozessflüssigkeit innerhalb des Grenzbereichs liegt. An dieser Stelle muss der Umlaufkühler möglicherweise weiter mit dem Tool abgestimmt werden. Der Benutzer muss wissen, dass die Autotuning-Funktion versuchen wird, den Temperaturregler an dem errechneten Betriebspunkt abzustimmen. Prozessdynamiken werden oftmals durch Bedingungen beeinträchtigt, die nur zu bestimmten Zeitpunkten oder unter bestimmten Umständen herrschen. Sollte es möglich sein, diese speziellen Bedingungen zu erfassen oder vorherzusehen, ist eine adaptive Regulierung (Feed Forward) erforderlich, um die reaktive Regulierung (Feedback) zu ergänzen, die üblicherweise genutzt wird. Für Kühlanwendungen mit diesen besonderen Anforderungen sollten eher PLC (Programmable Logic Controllers) und OIT (Operator Interface Terminals) genutzt werden. (Siehe Abbildung 2.)



Ein PLC bietet eine besondere Flexibilität, die die Anforderungen anspruchsvollerer Umgebungen erfüllt. Es ermöglicht ebenfalls eine nahtlose Einbindung von nicht mit der Prozesstemperatur in Zusammenhang stehender Werte wie Druck, Durchflussrate, Umgebungstemperatur usw. oder kritische Ereignisse wie eine Überlastung der Pumpe, eine Sicherheitsabschaltung usw. in einem adaptiven Steuerungsschema. Außerdem bieten PLC Optionen der Datensammlung und -kommunikation. Sie lassen sich sehr unkompliziert mittels verschiedener Kommunikationsoptionen mit Host-Systemen verbinden. Darüber hinaus stehen verschiedene Feldbusanschlüsse (Profibus, DeviceNet, Lonworks usw.) sowie nicht proprietäre serielle und Ethernet-Verbindungen zur Verfügung. Dies ermöglicht dem Benutzer eine einfachere Einbindung des Kühlers mit dem Tool. Nicht nur die Temperatursteuerung ist ein entscheidender Faktor für zahlreiche industrielle Prozesse, sondern ebenfalls die Temperaturstabilität. Eine erhöhte Stabilität führt allgemein zu einem Anstieg der Kosten. Viele Anwendungen erfordern bei einer bestimmten Wärmebelastung eine stabile Temperatur im Bereich von ±0,5 °C. Dieser Grad der Stabilität kann erreicht werden, indem die Temperatur im Reservoir gemessen und ein Ein-/Ausventil im Kühlsystem eingesetzt wird. (Siehe Abbildung 3.) Ein herkömmlicher PID-Algorithmus im Modul zur Temperatursteuerung kann das Ein-/Ausventil bei Bedarf steuern. Dank der Flüssigkeit mit konstanter Temperatur im Reservoir können die Auswirkungen kleiner Temperaturänderungen durch die Änderungen der Wärmebelastung des Tools reduziert werden.



Das Reservoir dient nicht nur dazu, die Temperatur der zum Tool geleiteten Flüssigkeit konstant zu halten, sondern ebenfalls dazu, bei der von dem Tool zurückkehrenden Flüssigkeit für hohe Temperaturspitzen zu sorgen. Diese Änderungen sind durch die variierende Wärmebelastung bedingt. Beispielsweise kann ein eingeschalteter Laser bei einer Flüssigkeit die Wärmebelastung 5 Minuten lang konstant um 300 W steigern. Die Laserleistung kann dann bei 500 W 5 Minuten lang und dann bei reduzierten 300 W für weitere 5 Minuten laufen. Dieser Kreislauf kann sich immer wieder wiederholen. Durch eine Steigerung der Wärmebelastung um 67 % ändert sich plötzlich die Temperatur der in den Kühler zurückfließenden Flüssigkeit. Da sich die Temperatur der Flüssigkeit im Reservoir langsamer verändert, benötigt das Modul zur Temperatursteuerung länger, um auf diese Veränderungen zu reagieren. Die Temperaturstabilität kann für dynamische Prozesse erhöht werden, indem die Temperatur der Flüssigkeit am Ausgang des Kühlsystems vor dem Eintritt in das Reservoir gemessen wird. (Siehe Abbildung 4.) Das Modul zur Temperatursteuerung erkennt die Temperaturspitzen der Flüssigkeit und reagiert entsprechend. Die Temperaturstabilität der zum Tool geleiteten Flüssigkeit kann durch Änderung des Messpunkts ganz einfach verdoppelt werden. (Siehe Abbildung 5.)





Es muss unbedingt beachtet werden, dass bei einer Festlegung der Temperaturstabilität des Kühlers mit einem Ein-/Ausventil (beispielsweise ein Magnetventil) auf ±0,5 °C eine weitere Erhöhung der Stabilität zu häufigeren Zyklen und einer kürzeren Lebensdauer des Ventils führt. Dieses Problem kann auftreten, wenn eine Kombination aus einer Autotuning-Funktion und einem Standard-Temperaturregler genutzt wird. Aus diesem Grund sollte bei dem Kühler die Stabilität lediglich in einer Höhe festgelegt werden, die zur Regulierung des Prozesses erforderlich ist.

Ein weiteres gängiges Problem der Temperatursteuerung bei Kühlern besteht in einem Abfall der Raum- oder Umgebungstemperatur zwischen dem Kühler und dem Tool. Dieses Problem tritt üblicherweise auf, wenn die Prozessflüssigkeit erheblich über oder unter der Raumtemperatur liegt und bei einem erheblichen Abstand und Rohrlänge zwischen dem Kühler und dem Tool. Gelegentlich befindet sich der Kühler sogar auf einem anderen Stockwerk als das Tool. Beispielsweise kann sich die Temperatur der aus dem Kühler austretenden Flüssigkeit von 15 °C bis zum Erreichen des Tools aufgrund der Raumluft auf bis zu 20 °C erhöhen. Allerdings erfordert es der Prozess, dass die Temperatur der Flüssigkeit zum Tool konstant bei 15 °C liegt und nicht bei 20 °C. In diesem Fall kann im Modul zur Temperatursteuerung ein Ausgleich von 5 °C eingegeben werden. Es wird also eine Soll-Temperatur von 15 °C für den Kühler eingestellt, der Kühler stellt sich aber auf 10 °C ein. Somit erhält der Prozess die benötigte Temperatur in Höhe von 15 °C der Flüssigkeit und der Kühler wird ebenfalls eine Temperatur von 15 °C anzeigen oder übermitteln.

Es gibt eine Vielzahl an Prozessen, die temperaturempfindlicher sind, darunter Prozesse medizinischer Geräte, bestimmter Laser und Halbleiter. Bei vielen Umlaufkühlern ist bei einer bestimmten Wärmebelastung eine stabile Temperatur im Bereich von ±0,1 °C nicht unüblich. Allerdings sollte, wie bereits angemerkt, sichergestellt werden, dass diese Höhe der Temperaturstabilität für den Prozess tatsächlich erforderlich ist, da ansonsten durch die Kühlerbauteile oder die Entwicklung zusätzliche Kosten entstehen können. Ein PID-Algorithmus im Modul zur Temperatursteuerung steuert entweder das Ein-/Ausventil oder das modulierende Ventil im Kühlsystem. Bei einem modulierenden Ventil handelt es sich üblicherweise um ein Schrittventil, das am Betriebspunkt eine präzisere Regelung bietet. Darüber hinaus ist es im Gegensatz zum Ein-/Ausventil nicht auf eine bestimmte Anzahl an Zyklen beschränkt. Allerdings dauert es im Vergleich zum Ein-/Ausventil länger, das modulierende Ventil vollständig zu öffnen und zu schließen. Aus diesem Grund dauert es ebenfalls länger, die Temperatur des Kühlers heraufzusetzen.

Die Temperaturregelung kann bei Kühlern mit einer Steuerung mehrerer Flüssigkeitskreisläufe oder bei einem Betrieb mit großen Temperaturunterschieden und einer sehr variablen Wärmebelastung kompliziert sein. In diesem Fall werden PLC und OIT genutzt, da diese zur Regelung mehrerer Steuerungsgeräte eingestellt werden können und über zahlreiche PID-Regelschleifen verfügen. Diese Geräte bieten eine enorme Flexibilität, da sie lediglich durch das Programm eingeschränkt werden, dass für sie entwickelt wurde.

Abschließend ist es sehr wichtig, die Betriebspunkte und die für das System erforderliche Temperaturstabilität sorgfältig festzulegen. Eine unpräzise Festlegung kann zu einem Steuerungsverlust bezüglich der Temperatur des Tools und/oder unnötigen, zusätzlichen Kosten führen. Ein erfahrener Hersteller kann, wenn er die nötigen Informationen erhält, die richtige Auswahl an maßgeschneiderten oder Standard-Kühlern zur Verfügung stellen.

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