Öl Geräte mit Zwanglaufsystem

Prinzip

Das Öl Temperiergerät besteht aus einem Erhitzer mit genau definierten Strömungsverhältnissen (Zwanglauferhitzer), das bei richtiger Auslegung eine thermische Überlastung des Wärmeträgers verhindert. Der Erhitzer besteht im vorliegenden Beispiel aus einem Rohr mit eingebauter Heizung von 20 oder 40 kW Leistung. Die Heizung ist vom Wärmeträgeröl umströmt und mit Leitblechen für den Zwanglauf des Öls versehen. Dieses Bauprinzip weist eine geringe Wärmeträgheit (niedrige Speicherkapazität des Erhitzers) auf, was ein gutes Regelverhalten ergibt. Im Erhitzer herrschen genau definierte Strömungsverhältnisse, d.h. die Pumpenleistung (Strömungsgeschwindigkeit) und die Heizleistung (spezifische Heizflächenbelastung) sind so aufeinander abgestimmt, dass die vom Hersteller des Wärmeträgeröls angegebene maximal zulässige Filmtemperatur im Erhitzer nicht überschritten wird.

Die korrekte Auslegung des Erhitzers ist deshalb von entscheidender Bedeutung für die Betriebssicherheit des Temperiergerätes und die Standzeit des Wärmeträgeröls. Die Auslegung des Erhitzers wird durch drei Faktoren bestimmt:

  • Pumpenleistung (Strömungsgeschwindigkeit)
  • Heizleistung (spezifische Heizflächenbelastung, W/cm2)
  • Abmessungen

Eine hohe Strömungsgeschwindigkeit erlaubt eine höhere spez. Heizflächenbelastung, was kleine Abmessungen des Erhitzers und damit des Gerätes ermöglicht. Anderseits sind Pumpen mit hoher Leistung teurer. Eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit verlangt nach einer niedrigeren Heizflächenbelastung, was entweder eine relativ niedrige Heizleistung oder entsprechend große Abmessungen des Gerätes zur Folge hat. Anderseits kann eine vergleichsweise preisgünstige Pumpe verwendet werden.

Das Zwanglaufprinzip wird von Regloplas für Standardgeräte aus Sicherheitsgründen für Wärmeträgeröl bereits ab Vorlauftemperaturen über 150 °C und bei Anwendungen mit überwiegend Heizen eingesetzt.

Die Geräte sind in der Regel wie folgt aufgebaut:
Zusätzlich zu den schon erwähnten Baukomponenten, wie Niveaukontrolle, Sicherheitsthermostat, Sicherungsautomaten, Thermorelais für den Pumpenmotor, sind aus Sicherheitsgründen noch ein Ausdehnungsgefäss, ein Bypass und eine Strömungsüberwachung vorhanden. 
Das Ausdehnungsgefäss dient zur Trennung des zirkulierenden heissen Öls von der Atmosphäre.

Der Nachteil der Badbeheizung – beschleunigte Alterung des Öls infolge Oxidation – ist weitgehend ausgeschaltet, da das zirkulierende heisse Öl durch das sich im Ausdehnungsgefäss befindliche ruhende Öl von der Atmosphäre getrennt ist. Ebenso können keine brennbaren heissen Öl Dämpfe in die Umgebung austreten. Bei sehr hohen Vorlauftemperaturen, die über der Siedetemperatur des Öls liegen, und zur Verminderung der Oxidation wird mit Inertgasüberlagerung im Ausdehnungsgefäss gearbeitet (Drucküberlagerung mit Stickstoff).

Der Bypass ist parallel zum Verbraucher geschaltet und hat folgende Aufgaben:

  • Schutz der Pumpe bzw. des Pumpenmotors vor Überlastung
  • Aufrechterhaltung einer minimalen Durchflussmenge im Gerät bei ungenügenderZirkulation im Verbraucher, damit die max. Filmtemperatur im Erhitzer nicht überschritten bzw. das Wärmeträgeröl thermisch nicht überlastet wird
  • Schutz des angeschlossenen Verbrauchers gegen zu hohen Druck (z.B. bei doppelwandigen Behältern)
  • Anpassung der Durchflussmenge an den Verbraucher (vor allem bei Pumpen mit hoher Durchflussleistung).

Die Strömungsüberwachung dient wie der Bypass zur Überwachung der Zirkulation. Beim Unterschreiten der von Werk eingestellten minimalen Durchflussmenge bzw. des minimalen Drucks (indirekte Messung des Durchflusses) wird die Heizung ausgeschaltet. Die Strömungsüberwachung spricht also auch an, wenn die Strömung im Temperierkreislauf aus irgendeinem Grunde abreisst. Das Vorhandensein der Strömungsüberwachung bietet einen umfassenderen Schutz gegen Trockenlauf der Pumpe und Überhitzung des Gerätes. Die beschriebenen Sicherheitsmassnahmen bei der Auslegung der Geräte – Zwanglauf, Ausdehnungsgefäss, Bypass, Strömungswächter – bringen dem Betreiber folgende Vorteile:

  • Minimale Verkokung und hohe Oxidationsbeständigkeit, also wesentlich längere Lebensdauer des Öls
  • Geringere Betriebskosten und grössere Betriebssicherheit des Temperiergerätes

Der Kühler kann aus einem Rohrbündel bestehen, in dessen Innerem das Kühlwasser fliesst und das vom Wärmeträgeröl umströmt wird.
Das Rückschlagventil im Kühlwasserablauf vermindert die Kalkablagerung im Kühler durch zurückströmendes Wasser in den Kühler bei nicht gegendruckfreiem Ablauf.
Die Pumpe ist in der Regel eine Kreiselpumpe mit Gleitringdichtung oder mit Magnetkupplung. Um die thermische Beanspruchung des Kühlers zu verringern und das Regelverhalten während des Kühlvorganges zu verbessern, sind die Regloplas-Geräte für Temperaturen über 300 °C mit einer Bypass-Schaltung des Kühlers ausgerüstet.

Wirkungsweise:

  • Heizen: Das Ventil  ist in Richtung 12–2 geschlossen, d. h. der Kühler ist überbrückt.
  • Kühlen: Das Ventil ist in Richtung 12–1 geöffnet, d. h. das Wärmeträgeröl fließt durch den Kühler und direkt über die Heizung. 

Der Temperaturregler im Gerät steuert das Dreiwegventil über das Magnetventil. 
Die Bypass-Schaltung weist folgende grosse Vorteile auf:

  • Wesentlich bessere Temperaturführung (kein von der Kühlleistung abhängiges starkes bis sehr starkes Unterschwingen der Temperatur)
  • Verringerung der thermischen Schockbeanspruchung des Wärmeaustauschers während des Kühlvorganges, sicherer Betrieb
  • Geringere Verkalkungsneigung
  • Kein Dampfaustritt bei Kühlbeginn und bei Kühlende

Die maximale Vorlauftemperatur liegt bei Geräten ohne Drucküberlagerung bei 350 °C.
Sie ist abhängig von der

  • maximal zulässigen Film- und Vorlauftemperatur des verwendeten Wärmeträgeröls sowie von der
  • Auslegung des Erhitzers, d.h. vom Temperaturanstieg des Öls an den Heizflächen. Der Temperaturanstieg ist wiederum eine Funktion der spez. Heizflächenbelastung und der Strömungsgeschwindigkeit
  • Maximale Vorlauftemperatur 350 °C und höher
  • Geringe Oxidation des Öls: Lange Standzeit
  • Definierte Strömungsverhältnisse: Lange Standzeit und minimale Verkokungsneigung des Öls
  • Keine Geruchsbildung
  • Kein Austreten brennbarer Öldämpfe
  • Allgemein hohe Betriebssicherheit