Dynamische Temperierung von Zentrifugen

Master-Thesis 16/17

Diplomand:  
    Elias Büchel BSc. FHO Systemtechnik
Referent:               Prof. Stefan Bertsch Ph.D.
Experte:                   Prof. Dr. Max Ehrbar
Industriepartner:   Eppendorf Zentrifugen GmbH

Liquid-, Cell- und Sample-Handling – Eppendorf ist ein Unternehmen der Life Sciences. Die Zentrifugen von Eppendorf, im Fall der Master-Thesis die Zentrifugen des Typs Multipurpose, werden eingesetzt, um wässrige Lösungen und Suspensionen bei unterschiedlichen Dichten voneinander zu trennen. Die in der Master-Thesis genauer betrachtete Zentrifuge ist mit einem Kältekreislauf mit indirektem Heissgasbypass ausgestattet, mit dem die Proben im Bereich von -11°C  bis +40°C temperiert werden können. Die Zentrifuge ist damit geeignet, um sogenannte „Lebendproben“ zu zentrifugieren.

Zentrifugen der Grössenordnung Multipurpose mit Standard Netzanschluss stehen speziell bei dynamischen Vorgängen (Beschleunigung der Proben in möglichst kurzer Zeit) vor der Herausforderung, trotz begrenzter, möglicher Leistungsaufnahme aus dem Versorgungsnetz die unzulässige Erwärmung der Proben aufgrund der auftretenden Abwärme und Verlustwärmeströme zu verhindern.
Weil die gesamte zur Verfügung stehende Netzleistung während der Beschleunigungsphase benötigt wird, um die Proben mit der maximal möglichen Rampe zu beschleunigen, kann die Kühlung der Proben in diesem Abschnitt der Zentrifugation nicht mehr aufrecht erhalten werden. Im Rahmen der Master-Thesis sollen die daraus resultierenden Folgen für die Proben vertieft untersucht und verschiedene Lösungsvorschläge ausgearbeitet werden.
Dazu wird der Kältekreislauf der Zentrifuge zunächst in einem statischen Modell nachgebildet. Mit den Simulationsergebnissen des statischen Modells des Kältekreislaufs und den Angaben von Eppendorf zum internen Aufbau der Zentrifuge, wird ein dynamisches thermisches Modell der gesamten Zentrifuge entwickelt. Parallel dazu werden die Zentrifuge und deren Kältekreislauf mit verschiedenen Messreihen genauer analysiert. Mit den Messergebnissen werden die beiden Modelle der Zentrifuge  validiert und auf die reale Maschine angepasst. Die validierten Modelle dienen als Grundlage für die Lösungssuche.
Die oben genannten Herausforderungen in Bezug auf die Temperiergenauigkeit können einerseits dadurch gelöst werden, indem der Zentrifuge mehr elektrische Energie zugeführt wird mit der die elektrischen Komponenten des Kältekreislaufs ständig im optimalen Bereich betrieben werden können. Andererseits können auch verschiedene thermische Lösungskonzepte den Wärmeeintrag in den Probenraum so begrenzen, dass sich die Proben nicht unzulässig erwärmen. Eine dritte Möglichkeit besteht in der Anpassung der Regelalgorithmen der Zentrifuge, sodass während der Beschleunigungsphase das ganze erlaubte Temperaturfenster optimaler ausgenutzt werden kann, um die Probentemperatur in den Grenzen zu halten.
Die Evaluation der verschiedenen Lösungsvarianten hat ergeben, dass die Problemstellung der Zentrifuge am besten gelöst werden kann, in dem der Zentrifuge mehr Betriebsleistung aus dem Netz zur Verfügung gestellt wird. Damit steht der Zentrifuge mehr Energie in den kritischen, dynamischen Prozessen zur Verfügung. 

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Datum 12.09.2017
Kategorien Simulation ,
Energie ,
Mess- und Prüftechnik ,
Elektronik
Institute IES
Projektleiter Elias Büchel, MSc. FHO Prof. Stefan Bertsch, PhD