Offene Temperiergeräte

Unter "Temperiergeräten" oder "Heiz-/Kühlgeräten" werden Apparate verstanden, welche den angeschlossenen Verbraucher durch Heizen und Umwälzen eines flüssigen Mediums auf Produktionstemperatur bringen und diese durch Heizen oder Kühlen konstant halten.

Der Wärmeträger wird im Tank mit eingebautem Kühler und Heizung von der Pumpe durch den Verbraucher gefördert und fließt wieder in den Tank zurück. Der Temperaturfühler misst die Temperatur im Medium und gibt den Wert an den Eingang des Reglers im Steuerteil. Der Regler regelt die Temperatur des Wärmeträgers und damit indirekt die Verbrauchertemperatur. Steigt die Verbrauchertemperatur während der Produktion über den am Regler eingestellten Sollwert, öffnet das vom Regler angesteuerte Magnetventil den Kühlwasserkreislauf so lange, bis die Temperatur des Wärmeträgers und damit die Verbrauchertemperatur wieder den Sollwert erreicht hat. Ist die Verbrauchertemperatur zu niedrig, wird analog zum Kühlen die Heizung eingeschaltet.

Man unterscheidet Temperiergeräte für Betrieb mit Wasser und Wärmeträgeröl. Die Geräte für Wasserbetrieb haben in der Regel eine max. Vorlauftemperatur von 90 °C bzw. etwa 230 °C, wenn es sich um Druckwassergeräte handelt, jene für Ölbetrieb ohne Drucküberlagerung eine solche von 350 °C.

2.1 Geräte mit Badbeheizung
2.1.1 Prinzip

Das umlaufende Wasser oder Wärmeträgeröl ist in direktem Kontakt mit dem Luftsauerstoff. Es handelt sich um eine Badbeheizung. Der Tank dient zugleich als Ausdehnungsgefäss.

2.1.2 Einsatz
Das Prinzip der Badbeheizung eignet sich für Wasser- und Ölbetrieb bis zu max. Vorlauftemperaturen von 90 °C bzw. 150 °C. Da Wasser über 90 °C sehr stark verdampft, werden für Wasserbetrieb über 90 °C so genannte Druckwassergeräte eingesetzt. Wärmeträgeröl neigt ab etwa 150 °C ebenfalls zu Dampfbildung. Oldämpfe riechen unangenehm und sind zudem unter gewissen Bedingungen brennbar. Über 150 °C ist deshalb der Einsatz von Geräten mit Badbeheizung in der Regel nicht zu empfehlen.

2.1.3 Aufbau / Wirkungsweise 
Die Geräte sind in der Regel wie folgt aufgebaut: Auf dem Tank befindet sich die Tauchpumpe.
Meistens handelt es sich um eine Kreiselpumpe. Die senkrechte Anordnung auf dem Tankdeckel hat den Vorteil, dass keine Dichtungsprobleme bestehen, da die Pumpe ganz in das Medium eingetaucht ist. Bei der Heizung handelt es sich um eine im Tank befindliche Tauchheizung, die vom Wärmeträger umströmt ist. Beim Einsatz von Wärmeträgeröl sind folgende Kriterien zu berücksichtigen (Wasser ist bezüglich Heizen unkritisch): Das richtige Verhältnis zwischen Heizleistung (spezifische Heizflächenbelastung) und Pumpenleistung (Strömungsgeschwindigkeit an der Heizfläche) hat bei Betrieb mit Wärmeträgeröl einen entscheidenden Einfluss auf die Standzeit des Öls. Je größer die spez. Heizflächenbelastung und je kleiner die Strömungsgeschwindigkeit, desto größer ist die thermische Belastung des Wärmeträgeröls und desto kürzer seine Standzeit.
Ein weiteres Kriterium für die Standzeit des Öls ist die Höhe der Vorlauftemperatur. Bei ungünstiger Auslegung des Gerätes kann sich das Öl innerhalb kurzer Zeit zersetzen, so dass die Standzeit des Öls stark verkürzt wird.

Die bei der Zersetzung entstehenden Ablagerungen an der Oberfläche der Heizelemente wirken als Isolierschicht, die mit der Zeit zu einer Zerstörung der Elemente führt. Ein wichtiger Kennwert für die Auslegung des Erhitzers ist die sog. Filmtemperatur.
Die Filmtemperatur ist die Temperatur des Wärmeträgers unmittelbar an der Heizfläche.

Damit das Öl thermisch nicht überlastet wird, darf die vom Hersteller des Wärmeträgeröls angegebene max. Filmtemperatur im Gerät (Erhitzerteil) nicht überschritten werden.
Da bei den Geräten mit Badbeheizung wegen ihrer Bauweise die Strömungsverhältnisse an der Heizoberfläche nicht genau bekannt sind, d.h. die max. Filmtemperatur rechnerisch nicht ermittelt werden kann, soll die spez. Heizflächenbelastung möglichst klein sein: in der Regel unter 2,5 W/cm2. Aus dem bisher Gesagten geht deutlich hervor, dass eine niedrige spez. Heizflächenbelastung allein zur Beurteilung der Lebensdauer des Öls bzw. der korrekten Auslegung des Temperiergerätes nicht ausreicht. Eine niedrige Belastung ist beim Prinzip der Badbeheizung einer höheren jedoch immer vorzuziehen. Die nicht definierten Strömungsverhältnisse sind mit ein Grund, warum einige Hersteller von Temperiergeräten (z. B. Regloplas) das Prinzip der Badbeheizung für Betrieb mit Wärmeträgeröl in der Regel nur bis etwa 150 °C empfehlen. Anderseits ist diese Bauweise vergleichsweise billig und lässt sich bis 150 °C ohne weiteres vertreten. 

Beim Kühler handelt es sich im vorliegenden Beispiel um eine im Tank (1) eingebaute spiralförmige Kühlschlange (3), durch die das Kühlwasser zirkuliert und die vom Wärmeträger umströmt wird. Anstelle von Kühlschlangen werden vor allem bei Geräten mit Wasser als Wärmeträger sogenannte Plattenwärmetauscher eingesetzt. Die Vorteile sind eine hohe Kühlleistung bei relativ kleinen Abmessungen sowie gute Austauschbarkeit.

Das Magnetventil öffnet, wenn gekühlt werden soll. Es handelt sich um ein Ein/Aus-Ventil. Für Spezialausführungen werden auch stetige Regelventile eingesetzt, die jedoch – abgesehen vom großen regelungstechnischen Aufwand – wesentlich teurer sind. Der Temperaturfühler misst die Temperatur des Wärmeträgers und gibt den Wert an den Eingang des Reglers. Meistens sind es Widerstandsthermometer Pt 100 oder Thermoelemente des Typs J (Fe-CuNi). Die Niveaukontrolle besteht aus einem im Tank befindlichen Schwimmer, der bei zu tiefem Flüssigkeitsstand einen Schalter betätigt. Dieser Schalter unterbricht den Pumpen- und Heizstromkreis (Trockenlaufschutz).
Der Sicherheitsthermostat unterbricht bei Erreichen der maximalen Vorlauftemperatur den Heizstromkreis. Der Steuerteil enthält die für die Steuerung und automatische Überwachung notwendigen Elemente wie Drucktaster, Schütze, Thermorelais für den Pumpenmotor usw. Dazu gehört auch der Temperaturregler. Der Steuerteil soll aus Sicherheitsgründen vom mechanischen Teil (Förderteil) getrennt sein. Die elektrischen Bauteile müssen zudem gegen unbeabsichtigte Berührung von außen geschützt sein. Der Berührungsschutz soll mindestens die Schutzart IP40 aufweisen.

Der Regler ist ein 3-Punkt-Regler mit den Stellungen «Heizen–Neutral–Kühlen» mit z.B. PlD- oder PD/PID-Verhalten. Die Sicherungsautomaten bzw. Schmelzsicherungen beim Einsatz von Halbleiterschützen unterbrechen bei Überlastung oder Kurzschluss des zu schützenden Bauteils
(Heizung usw.) die Stromzufuhr.

2.1.4 Vorteile

  • Günstiger Preis
  • Einfache Bauweise