Smarte Sensoren Optimiertes Betriebsregime von Wärmetauschern

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Sick AG

Baumer Optronic GmbH

Wie kann die Energienutzung in Wärmetauschern durch den Einsatz von smarten Sensoren verbessert und dabei auch noch schädlicher Temperatureinfluss auf die Produktqualität verringert werden? Eine Antwort sind schnelle Temperatursensoren, eine temperaturunempfindliche Differenzdruckmessung sowie eine genaue Durchflussmessung als Basis.

Wärmetauscher sind ein zentraler Bestandteil der Prozesse zur Lebensmittel- und Getränkeherstellung. Die meiste Aufmerksamkeit bekommen Wärmetauscher, die erhitzen, um definierte Prozessbedingungen herzustellen, Produkte zu pasteurisieren oder sogar zu sterilisieren, weil dabei grosse Mengen Energie aufgewandt werden. Diese Energie vollständig in das Produkt zu übertragen, ist das erklärte Ziel aller Anlagenbauer und -betreiber. Mit einer Isolierung der Anlagen wird zumeist den Strahlungsverlusten entgegengewirkt. Darüber hinaus kann aber auch die Automatisierung wesentlich zu diesem Ziel beitragen.

Temperaturführung

Messen bedeutet wissen. In diesem Fall, was in einer geschlossenen Anlage passiert. Dieses Bild haben die meisten Anwender vor Augen. Aber auch Sensoren unterliegen bestimmten «Zwängen». Ihr Verhalten muss berücksichtigt und richtig interpretiert werden, wenn ein Prozess optimiert werden soll. Für Temperatursensoren in Wärmetauschern ist dieses Verhalten hauptsächlich die T90-Zeit: die Zeit, die ein Sensor benötigt, um eine Temperaturänderung im Prozess wahrzunehmen. Sie gibt an, wann der Sensor 90 Prozent der tatsächlich im Prozess herrschenden Temperatur erkannt hat. Dazu kommt noch die Zeit, die benötigt wird, um das Pt100-Rohsignal des Messfühlers in einen analogen oder digitalen Messwert zu transferieren und auszugeben.

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Damit verursacht der Sensor eine Verzögerung in der Kette Sensor-Steuerung-Aktor. Der Aktor ist in diesem Fall das Ventil, das die Wärmezufuhr zum Wärmetauscher regelt. Auch die Reaktionszeit dieses Ventils hat einen entsprechenden Einfluss auf die Performance des Wärmetauschers. Jede Verbesserung in dieser Kette wirkt sich direkt auf das Ergebnis aus. Je schneller der Temperatursensor ist, desto früher kann die Steuerung das Ventil ansteuern.

Wird ein Temperatursensor wie der Baumer PT20H direkt in das System eingebaut, beschleunigt sich die Ansprechzeit. Die reduzierte Spitze bringt so wenig Material als möglich zwischen das Platinelement und den Prozess. Der Sensor kann die real anliegende Temperatur mit einer Verzögerung von nur 1,1 s Reaktionszeit – für Messen, Wandeln und Signalübertragung – an die Steuerung ausgeben. Das Verhalten gilt sowohl für die grossen Sprünge als auch für die variierende Temperatur in einem hier beschriebenen Regelkreis, selbst wenn die Wirkung durch die kleineren Veränderungen etwas geringer ist.

Da zur sicheren mikrobiellen Behandlung die Produkttemperatur immer oberhalb der gewünschten Mindesttemperatur gehalten werden muss, liegt der Regelbereich immer über dieser Temperatur (in Bild 1: 72 °C). Je langsamer die Regelung ist, desto höher wird die Regelkurve nach oben ausschlagen, was einen höheren Energieverbrauch verursacht und das Produkt unnötigem thermischem Stress aussetzt. Diese eingeplante Sicherheitsmarge kann verringert werden, da schnelle Sensoren wie der PT20H eine fokussierte Regelung ermöglichen.

In Bild 2 wird beispielhaft ersichtlich, wie sich die geringere Höhe der Amplitude auf eine höhere Frequenz auswirkt und die Höhe des abgedeckten Regelkreises verringert. Das Volumen der abgeschnittenen Spitzen steht dabei für die eingesparte Energie und die flachere Kurve für den geringeren Einfluss auf die Produktqualität.

Reinigungsregime

Damit ein Wärmetauscher optimal die
Wärme übergeben kann, muss die Oberfläche so gross und die trennende Schicht zwischen Heizmedium und Produkt so gering wie möglich sein. In der Herstellung flüssiger Lebensmittel wird daher weitläufig der Plattenwärmetauscher verwendet, der beide Eigenschaften mitbringt. Der Plattenwärmetauscher kann seine Vorteile der grösseren Oberfläche nur ausspielen, wenn diese frei ist.

Die meisten Lebensmittel bringen Nährstoffe mit, die sich insbesondere unter Wärme­einfluss gerne ablagern, wie Zucker, Fett und Proteine. Ein sanftes Erwärmen im Gegenstrom verringert dieses Phänomen, kann es aber nicht verhindern. Der sich bildende Belag behindert nicht nur die Wärmeübertragung, er verändert auch die Regel­parameter. Um die gleiche Wärmemenge in das Produkt zu transferieren, muss entweder der Durchfluss verringert oder die Wärme­zufuhr erhöht werden. Eine Verringerung des Durchflusses ist jedoch der Anlagenleistung abträglich, während eine Erhöhung der Wärme­zufuhr den Effekt zusätzlich beschleunigt. Es kommt also der Punkt, an dem es unerlässlich ist, die Anlage zu reinigen.

Um den optimalen Punkt dafür festzulegen, kann man dies zeitlich steuern und alle vier Stunden reinigen. Allerdings kann mit den Messwerten aus der Anlage nicht nur der Betrieb kontrolliert, sondern auch der jeweilige Zustand bewertet werden. Hoch­genaue Drucksensoren, die die Druckdifferenz zwischen Ein- und Auslauf messen, geben ein sehr gutes Bild darüber, was in dem Wärmetauscher passiert. Der Drucksensor PBMH von Baumer hat dafür nicht nur eine hohe Genauigkeit von 0,1 Prozent und eine hohe Langzeitstabilität, sondern ist auch temperaturkompensiert. Hohe Prozesstemperaturen haben dadurch keinen Einfluss auf die Genauigkeit, ebenso wie eventuell kältere Reinigungstemperaturen.

Wenn ermittelt wird, wie der Produktdurchfluss und die Produkttemperatur mit der eingebrachten Wärmemenge korres­pondieren, kann ebenfalls auf den Verlegungsgrad geschlossen werden. Der Produktdurchfluss wird, zur Sicherstellung der Heisshalte­zeit, mit magnetisch induktiven Durchflusssensoren wie dem Baumer Combi­Flow PF75H meistens sowieso gemessen. Die Temperaturen des Produktes und des Heizmediums werden zur Regelung mit schnellen Temperatursensoren wie dem PT20H erfasst. Wird jetzt noch die zugeführte Energie­menge gemessen, kann aus den Werten darauf geschlossen werden, wie sehr die Oberfläche schon verlegt ist. Dazu bieten sich insbesondere bei Heisswasser-betriebenen Systemen kalorimetrische Sensoren wie der FlexFlow PF20 an. Günstig, kompakt, einfach zu integrieren, benötigt es nur noch ein Temperatursignal aus dem Heiz­medien­auslauf.

Wird im Einlauf mit dem PT20H gemessen, kann der PF20 in den Auslauf integriert werden und neben dem Durchfluss- auch ein Temperatursignal abgeben. In Zukunft wird die Ver­knüpfung einzelner Messwerte zu relevanten Anlagen­informationen im Rahmen von Indus­trie-­4.0-­Aktivitäten vermehrt eingesetzt werden. Die Bildung lokaler MTP-Netzwerke wird die Regelung noch schneller und näher an der Realität ermögli­chen.

Zusammenfassung

Die Optimierung des Energieeinsatzes und der Verfügbarkeit von Wärmetauscher-Anlagen verläuft entlang der Entwicklung der zur Verfügung stehenden Sensoren und Aktoren.

Je schneller diese werden, desto direkter wird die Regelung und umso weniger müssen Sicherheitsmargen in den Regelkreisen berücksichtigt werden. Smarte Nutzung zur Verfügung stehender Daten, ergänzt um wenige zusätzliche, und deren gemeinsame Auswertung werden nicht nur den eigentlichen Betrieb der Anlagen, sondern auch ihre Reinigungszeiten optimieren
helfen.

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