Laborthermostate
Betriebstemperaturbereich: Temperaturbereich, der durch die Regelelektronik begrenzt ist. Bei Umwälzthermostaten kann der Arbeitstemperaturbereich mit Hilfsmitteln nach unten erweitert werden.
Arbeitstemperaturbereich: Temperaturbereich innerhalb des Betriebstemperaturbereichs, der bei einer Umgebungstemperatur von +20°C vom Thermostaten allein und ohne Zuhilfenahme von Hilfsmitteln erreicht wird.
Temperaturkonstanz: Temperaturunterschied zwischen der höchsten und niedrigsten Temperatur, die in einem Laborthermostat oder Laborbad gemessen wird, dividiert durch 2.
Temperaturhomogenität: Temperaturunterschied zwischen der höchsten und niedrigsten im Badgefäß gemessenen Temperatur.
Temperaturanzeigen: Eine gute Ablesbarkeit der Temperaturanzeige wird mit LED-Displays erreicht. Diese Anzeige ist auch aus größerer Entfernung und bei jedem Blickwinkel gut ablesbar. Es sollte darauf geachtet werden, dass nicht nur Ist- und Sollwerte, sondern auch die Werte für Über-/Untertemperatur angezeigt werden können. Eine noch komfortablere Temperaturanzeige bietet das VFD COMFORT-DISPLAY. Moderne Temperiersysteme bieten noch größeren Komfort mit Touchscreen Displays.
PID und ICC Temperaturregelungen:
Die Temperaturregelung eines Thermostaten hat wesentlichen Einfluss auf das Temperierverhalten. Die zugrunde liegende Regeltechnik wirkt sich auf Präzision und Geschwindigkeit des Temperiervorgangs aus. In der Praxis haben sich PID-Regelungen bewährt. Diese Regler arbeiten mit fest eingestellten Regelparametern (Xp, Tn, Tv) oder bieten idealerweise die Möglichkeit zur manuellen Anpassung der Parameter. Die fortschrittlichste Regelung stellt die ICC (Intelligent Cascade Control) Regeltechnik dar. ICC bietet perfekte Ergebnisse durch Kaskadentechnik. Die Regelparameter werden automatisch und selbstoptimierend der Anwendung angepasst.
Pumpensysteme:
Eine bewährte Lösung stellen Tauchpumpen dar. Diese arbeiten über lange Zeiträume nahezu verschleißfrei. Neben der internen Umwälzung im Thermostatenbad besteht ihre Aufgabe darin, Objekte oder Systeme permanent mit Temperierflüssigkeit in einem Pumpenkreislauf zu versorgen.
Insbesondere bei externen Anwendungen ist darauf zu achten, dass ausreichend Pumpenleistung zur Verfügung steht. Außerdem ist bei vielen Anwendungen eine elektronisch einstellbare Pumpenleistung von Vorteil (z.B. bei empfindlichen Glasapparaturen).
Heizen und Kühlen mit Thermostaten
Bei Laborthermostaten wird grundsätzlich unterschieden zwischen Wärme- und Kältethermostaten.
Wärmethermostate beinhalten nur einen Heizer und sind daher nur oberhalb der Umgebungstemperatur einsetzbar. Mit externen Kühllösungen (Leitungswasser, Kühler) sind Temperieraufgaben unterhalb der Umgebungstemperatur möglich. Sind regelmäßig Arbeiten im Kältebereich erforderlich, empfiehlt sich die Anschaffung eines Kältethermostaten mit integrierter Kältemaschine. Je nach Modell sind damit Aufgaben bis -95°C möglich. Ein weiterer Vorteil von Kältethermostaten ist das schnelle Abkühlen bei hohen Temperaturen ohne zusätzliche Hilfsmittel. Die Investition in ein Kältegerät ist also auch dann zu empfehlen, wenn häufig schnelles Abkühlen erforderlich ist. Ein Leistungsmerkmal bei Kältegeräten ist die Proportional-Kühlung. Systeme mit Proportional-Kühlung steuern die Kälteleistung über ein elektronisches Ventil. Das erlaubt eine genaue Dosierung der Kälteleistung und spart Energie.
Frühwarnsysteme für mehr Sicherheit
Die meisten Thermostate verfügen über Warn- und Schutzfunktionen. Diese Funktionen dienen der Betriebssicherheit und schützen das Temperiergut. Zu überwachen sind die obere und untere Temperaturgrenze sowie das Flüssigkeitsniveau. Auf der sicheren Seite befindet man sich, wenn der Thermostat einstellbare Grenzwerte sowie Warn- und Abschaltfunktionen bietet.
Klasseneinteilung nach DIN 12876-1
Begriffe und Klasseneinteilung sind in DIN 12876 festgelegt und geben Auskunft über die Anwendungen. Thermostate sind in folgende Klassen eingeteilt:
- Klasse I: Geräte in dieser Klasse sind mit fest eingestelltem Temperaturbegrenzer oder fest eingestelltem Unterniveauschutz ausgestattet. Die Geräte sind nur für den Betrieb mit nicht brennbaren Flüssigkeiten vorgesehen.
- Klasse III: Geräte in dieser Klasse sind mit einstellbarem Übertemperaturschutz und zusätzlichem Unterniveauschutz ausgestattet. Die Geräte sind für den Betrieb mit brennbaren Flüssigkeiten geeignet.
Anschluss eines externen Systems
Beim Anschluss eines externen Systems gilt es Folgendes zu beachten:
- Schlauchleitungen zwischen Thermostat und externem System so kurz wie möglich halten, gegen Abrutschen sichern und gut isolieren
- Eine geeignete Temperierflüssigkeit mit möglichst geringer Viskosität verwenden
- Energieaustausch zwischen Thermostat und externem System optimieren (z. B. Engpässe im Leitungssystem vermeiden)
- Auf eine gute thermische Ankopplung des Externfühlers achten
Temperierflüssigkeiten
Für Arbeitstemperaturen bis +80°C empfiehlt sich die Verwendung von deionisiertem Wasser. Destilliertes Wasser nimmt Verbundstoffe aus Bauteilen auf, was zu Korrosion führen kann. Erweiterte Temperaturbereiche sind mit speziellen Flüssigkeiten möglich.
Diese haben den Vorteil einer wesentlich geringeren spezifischen Wärmekapazität. Flammpunkt und Brennpunkt sind bei der Auswahl zu beachten. Insbesondere bei tiefen Temperaturen darf die vom Thermostatenhersteller angegebene, zulässige Viskosität nicht überschritten werden. Alkohole (z.B. Ethanol) sind wegen des sehr niedrigen Brennpunktes nur bedingt einsetzbar.
Berechnung der Kälte- oder Heizleistung
Folgende Formel kann zur zeitabhängigen Berechnung angewendet werden:
Q = (m × c × dT) / t
Q = erforderliche Kälte-/Heizleistung in kW
m = Materialmasse in kg
c = spezifische Wärmekapazität (Wasser=4,2 / Ethanol=2,5 / Silikonöl= 1,8)
dT = erforderlicher Temperaturunterschied in °C
t = erwünschte Abkühl- bzw. Aufheizzeit in Sekunden
Das Gesamtvolumen (Masse) setzt sich aus den Einzelvolumina (z.B. Thermostat, Schlauchverbindungen, Reaktormantel, Reaktor) zusammen. Diese einfache Berechnung berücksichtigt nicht die Unterschiede des spezifischen Gewichts der Flüssigkeiten sowie leistungsmindernde Faktoren. Leistungsverluste verursachen z.B. Schläuche (Länge, Isolation), doppelwandige Gefäße (Material, Dicke, Fläche), hohe Umgebungstemperaturen, offene Applikationen (Oberfläche). Für ausreichend Kälte-/Heizleistung sollte ein Sicherheitsfaktor von 20-30% in die Kalkulation einbezogen werden.
Quelle: Informationszentrum für Labortechnik GmbH: Laborkatalog. 17. Ausgabe. Berlin 2020. S. 597.
