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Tools & Technische Hinweise

 
 

Temperaturkontrolle bei Rückkühlern

Industrielle Kühlsysteme werden im Allgemeinen dazu verwendet, einen konstanten Temperaturfluss innerhalb eines geschlossenen Kreislaufs mit Messgeräten und Tools zirkulieren zu lassen, damit die Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit verbessert werden können. Die Hauptkomponenten eines Kühlers umfassen eine Pumpe zur Flüssigkeitszirkulation, ein Reservoir, um die Kühlflüssigkeit im Kühler aufzubewahren, ein Kühlsystem, um die Flüssigkeit zu kühlen, und ein Modul für die Temperaturkontrolle. (Siehe Abbildung 1)

Abbildung 1: Hauptkomponenten eines Kühlers - Kontrollsystem, Pumpe, Kühlsystem und Reservoir. Abbildung 1: Hauptkomponenten eines Kühlers - Kontrollsystem,
Pumpe, Kühlsystem und Reservoir

Ein standardisiertes, seriengefertigtes Temperaturkontrollsystem kann als Modul für die Temperaturkontrolle verwendet werden. Kontrollsysteme werden von einer Vielzahl von Herstellern mit unterschiedlichen Optionen angeboten. Alle verfügen über eine Temperaturanzeige und eine eingebaute Konsole, und sind mit Temperatureingängen der Resistance Temperature Detectors (RTDs) sowie mit Thermoelementen kompatibel. Ebenso stehen verschiedene Kommunikationsoptionen zur Verfügung. Ein hilfsreiches Merkmal vieler Kontrollsysteme stellt eine Proportional–Integral–Derivative (PID) Auto-Tune-Funktion dar. Dies ermöglicht dem Anwender, auf eine Systemstörung optimal zu reagieren. Störungen kommen in Form verschiedener Prozessbelastungen, Sollwertänderungen und Geräuschen vor. Nachdem das Auto-Tuning abgeschlossen ist, sollte der Anwender weitere Justierungen an den Tuning-Parametern vornehmen, um sicherzustellen, dass sich die Temperatur der Betriebsflüssigkeit im Rahmen der Kontrollgrenzen bewegt. Dies schließt nicht notwendigerweise das Tunen des Kühlsystems mit dem Tool ab. Der Anwender sollte sich bewusst sein, dass die Auto-Tune-Option den Versuch unternimmt, den Temperaturkontroller an dem zu prüfenden Betriebspunkt einzustellen. Die Prozessdynamik wird oft durch Bedingungen
Abbildung 2: Kühlsystem PLC Abbildung 2: Kühlsystem PLC
beeinflusst, die nur an bestimmten Zeitpunkten oder unter besonderen Umständen auftreten. Sind diese spezifischen Bedingungen in einem bestimmten Maß vorhersagbar, ist die Methode einer adaptiven (Vorwärtsschub) Kontrolle notwendig, um die reaktive (Feedback) Kontrolle, die im Rahmen eines normalen Kontrollschemas verwendet wird, zu ergänzen. Die Kühlsysteme, die für derartige Sonderaufgaben eingesetzt werden, sind oftmals besser für die Anwendung von Programmable Logic Controllers (PLCs) und Operator Interface Terminals (OITs) geeignet. (Siehe Abbildung 2)

Der Einsatz eines PLC bietet Flexibilität, um den Bedarf an einer anspruchsvolleren Klimakontrolle abdecken zu können. Dies ermöglicht die nahtlose Integration einer prozess-unabhängigen Temperaturmessung (wie Druck, Durchflussgeschwindigkeit, Umgebungstemperatur usw.) oder von kritischen Ereignissen (Pumpen-Überbelastung, Sicherheitsabschaltung usw.) innerhalb eines adaptiven Kontrollschemas. PLCs bieten auch die Möglichkeit der Speicherung und Kommunikation von Daten. Sie werden leicht mit dem Hostsystem über unzählige Kommunikationssysteme verbunden. Verschiedene Feldbus-Anschlüsse stehen zur Verfügung (Profibus, DeviceNet, Lonworks usw.) sowie firmen-neutrale serielle Verbindungen und Ethernet-Verbindungen. Dies ermöglicht dem Anwender, den Kühler besser mit dem Tool zu integrieren.

Abbildung 3: Temperatursensor im ReservoirAbbildung 3: Temperatursensor im Reservoir
Während die Temperaturkontrolle eine kritische Funktion für viele industrielle Prozesse darstellt, ist die Temperaturstabilität ebenso für einige Prozesse von großer Bedeutung. Bessere Stabilität korreliert im Allgemeinen mit einem höheren Kostenaufwand. Viele Anwendungen erfordern eine Temperaturwert, der ±0,5 °C in Bezug auf einen bestimmten Solltemperaturwert liegt und eine bestimmte Wärmebelastung toleriert. Dieses Stabilitätsniveau kann dadurch erzielt werden, dass die Temperatur im Reservoir gemessen und das Ventil periodisch im Kühlsystem an- und ausgeschaltet wird. (Siehe Abbildung 3) Je nach Bedarf kontrolliert ein fundamentaler PID-Algorithmus im Temperatur-Kontrollmodul das An-/Aus-Ventil. Das Reservoir bietet eine Flüssigkeitsmenge bei einer konstanten Temperatur, um kleineren Temperaturschwankungen, die auf Grund von Wärmebelastungsänderungen durch das Tool auftreten, vorzubeugen.

Abbildung 4: Temperatursensor am Ausgang des Kühlsystems zur erhöhten Stabilität bei dynamischen ProzessenAbbildung 4: Temperatursensor am Ausgang des Kühlsystems
zur erhöhten Stabilität bei dynamischen Prozessen
Das Reservoir trägt nicht nur dazu bei, eine konstante Temperatur für die dem Tool zuzuführende Flüssigkeit aufrechtzuerhalten, es gleicht ebenso größere Temperaturerhöhungen der vom Tool zurückgeführten Flüssigkeit aus. Diese Änderungen entstehen durch verschiedene Wärmebelastungen. Beispielsweise könnte ein Laser in Betrieb zusätzlich eine konstante 300 W Flüssigkeits-Wärmebelastung für 5 Minuten erzeugen. Die Laserleistung würde dann 500 W für 5 Minuten betragen und dann wird sie auf 300 W für weitere 5 Minuten zurückgefahren. Dies ist ein sich wiederholender Zyklus. Eine Erhöhung der Wärmebelastung um 67 % ändert sofort die Flüssigkeitstemperatur, die an das Kühlsystem abgeführt wird. Da sich die Temperatur der Flüssigkeit im Reservoir langsamer ändert, ist das Modul für die Temperaturkontrolle langsamer, um auf diese Änderung zu reagieren. Die Temperaturstabilität kann für dynamische Prozesse verbessert werden, indem die Temperatur der Flüssigkeit am Ausgang des Kühlsystems und vor dem Reservoir gemessen wird. (Siehe Abbildung 4) Das Modul der Temperaturkontrolle erkennt die Erhöhungen bei der Flüssigkeitstemperatur und kann entsprechend reagieren. Die dem Tool zugeführte Temperaturstabilität kann durch Änderung des Messpunkts verdoppelt werden. (Siehe Abbildung 5)

Abbildung 5: Stabilitätsvergleich - 40% Änderung bei der WärmebelastungAbbildung 5: Stabilitätsvergleich - 40% Änderung bei der Wärmebelastung

Wichtiger Hinweis: Falls ein Kühlsystem für eine Stabilität von ±0,5 °C mittels des Ein-/Aus-Ventils entwickelt wurde (wie das Kühlsolenoidventil), führt ein weiteres Erhöhen der Stabilität zu häufigeren Zyklen und verkürzt dadurch die Lebensdauer des Ventils. Dies kann dann auftreten, wenn die Auto-Tune-Funktion eines serienmäßigen Temperaturkontrollers verwendet wird. Das Kühlsystem sollte daher nur die Stabilität liefern, die benötigt wird, um den Betrieb zu kontrollieren. Ein anderes allgemeines Problem in Bezug auf die Kühltemperaturkontrolle betrifft den Abfall der Umgebungstemperatur, der zwischen dem Kühlsystem und dem Tool auftreten kann. Dies tritt normalerweise dann auf, wenn die Betriebsflüssigkeit viel wärmer oder kälter ist als die Raumtemperatur und wenn ein signifikanter Abstand und eine bedeutende Menge an Rohrleitungen zwischen dem Kühlsystem und dem Tool besteht bzw. platziert ist. Manchmal befindet sich das Kühlsystem auf einer anderen Etage als das Tool. Eine Flüssigkeit, die beispielsweise das Kühlsystem bei 15 °C hält, wird sich auf Grund der Lufttemperatur des Raumes bis auf 20 °C erwärmen, wenn es schließlich das Tool erreicht. Der Betrieb erfordert eine Flüssigkeit, die das Tool mit einer konstanten Temperatur von 15 °C erreicht, sie soll also nicht 20 °C betragen. Um dieses Problem zu lösen, kann das Modul der Temperaturkontrolle auf ein Offset von 5 °C eingestellt werden. Ein Soll-Temperaturwert von 15 °C wird in das Kühlsystem eingegeben, aber das Kühlsystem wird tatsächlich eine Temperatur von 10 °C aufrechterhalten. Dem Betriebsprozess wird eine Flüssigkeit mit 15 °C zugeführt und das Kühlsystem wird einen Wert von 15 °C anzeigen oder anderweitig mitteilen.

Es gibt verschiedene Prozesse, die stärker auf Temperaturen reagieren wie zum Beispiel bei medizinischen Geräten, bestimmten Lasern und bei Halbleitergeräten. Bei Rückkühlern ist eine Stabilität von ±0,1 °C in Bezug auf einen bestimmten Soll-Temperaturwert und bei einer festgelegten Wärmebelastung nicht ungewöhnlich. Wie bereits erwähnt, wird jedoch empfohlen, dass Sie die Notwendigkeit eines solchen Stabilitätsniveaus für einen bestimmten Betrieb angemessen beurteilen, da erhöhte Kosten entweder für die Kühlsystem-Komponenten oder für die Entwicklung auftreten könnten. Ein PID-Agorithmus im Temperatur-Kontrollmodul wird entweder das An-/Aus-Ventil oder ein modulierendes Ventil im Kühlsystem kontrollieren. Ein modulierendes Ventil ist ein Stufenventil, das eine feinere Kontrolle des Betriebswerts zulässt. Es ist auch nicht auf eine bestimmte Zyklenanzahl hinsichtlich der Ventil-Lebensdauer begrenzt, wie dies beim Ein-/Aus-Ventil der Fall ist. Im Vergleich zu einem Ein-/Aus-Ventil braucht das modulierende Ventil länger, um ganz geöffnet oder geschlossen zu werden. Sollte eine Stufenänderung des Sollwertes vorgenommen werden, bräuchte das Kühlsystem daher mehr Zeit, um die neue Betriebstemperatur zu erreichen.

Temperaturkontrollen können bei Kühlsystemen problematisch sein, wenn die Kontrolle von verschiedenen Flüssigkeitskreisläufen erforderlich ist oder wenn der Betrieb innerhalb eines großen Temperaturbereichs mit deutlich variierenden Wärmebelastungen stattfindet. In diesem Fall werden PLCs und OITs verwendet, da sie programmiert werden können, um verschiedene Kontrollgeräte mit mehreren PID-Kreisläufen zu kontrollieren. Diese Geräte bieten extreme Flexibilität, weil deren Grenzen nur in den für sie entwickelten Programmen bestehen.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass der Systembetriebspunkt und die Stabilität sorgfältig auszuwählen sind. Sollten diese Aspekte nicht genau bestimmt werden, kann dies zu unkontrollierten Tool-Temperaturen und/oder zu unnötigen zusätzlichen Kosten führen. Ein erfahrener Kühlsystemhersteller kann auf der Grundlage korrekter Daten das angemessene kundenspezifische oder serienmäßige Kühlsystem auswählen.