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Forum: Mechanik, Gehäuse, Werkzeug Regelung/Komponente für eine Klimakammer


Autor: jovise (Gast)
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Hallo zusammen.

Ich sitze gerad an einem größeren Uni-Projekt und würde mir liebend 
gerne hier mal eine Einschätzung abholen, da ich auf diesem Gebiet noch 
sehr Einarbeitungszeit vor mir habe.

Klimatisiert werden soll ein ca. 1m*1m*1m großer Raum, der isoliert 
werden wird. Dabei sollen Temperatur im Bereich 15-45 °C und rel. 
Luftfeuchte im Bereich 10-80 % geregelt werden können. Die Genauigkeit 
ist erstmal nicht im Vordergrund, bei Temperatur wären +-1 und für 
Luftfeuchte +-3 ganz nett. Das ganze soll natürlich möglichst günstig 
gestaltet werden. Eine weitere Anforderung sind sehr geringe 
Strömungsgeschwindigkeiten. Ich habe das mal mit einer einfachen 
analytischen Berechnung überschlagen und komme für den Raum als 
rechteckiges Rohr auf eine Geschwindigkeit von 0,035 m/s um Re_krit von 
2320 nicht zu überschreiten und laminar zu bleiben.

Der derzeitige Vorplan sieht vor, dass das eigentliche Klimasystem 
flexibel nutzbar jeweils über zwei Schläuche unten und oben an der 
Kammer angeschlossen wird (Kreislauf) und extern liegt. Innerhalb des 
Klimasystems tendiere ich gerade stark zu einer Lösung auf 
Peltierelement (Luft kühlen und bei Bedarf entfeuchten), dann ein 
Ultraschallzerstäuber (bei Bedarf Befeuchten) und letztlich ein 
Heizdraht um die Luft auf die gewünschte Temperatur erwärmen zu können, 
bevor sie in die Kammer eintritt.

Bei Erfassung der Temperatur schwanke ich gerade noch zwischen 
Thermoelement und Widerstandsthermometer. Ich würde die Temperatur 
jeweils am Eintritt und Austritt an der Kammer erfassen und am 
Mittelwert die Regelung festmachen.

Ich habe wie gesagt von Regelungstechnik bisher 0 Ahnung, klingt dieses 
Grundkonzept für euch realistisch? ;)

Beste Grüße

Jovi

Autor: Georg (Gast)
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jovise schrieb:
> klingt dieses
> Grundkonzept für euch realistisch? ;)

Für eine Klimakammer ist "zuerst kühlen, dann heizen" ok, für ein Haus 
wäre es katastrophale Energieverschwendung. Was nicht heisst, dass es 
das nicht gibt, wir hatten mal so eine Anlage für das Fotolabor.

Allerdings wird die Notwendigkeit des Kühlens nicht nur durch die 
Solltemperatur bestimmt, sondern auch durch die gewünschte 
Luftfeuchtigkeit, da Abkühlen die gebräuchlichste Methode ist zur 
Entfernung von Wasserdampf.

In jedem Fall ist eine intelligente Steuerung zu empfehlen, damit nur so 
stark gekühlt wird wie nötig.

Georg

Autor: MaWin (Gast)
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jovise schrieb:
> Bei Erfassung der Temperatur schwanke ich gerade noch zwischen
> Thermoelement und Widerstandsthermometer

Thermoelemente sind für die niedrigen Temperaturen unpassend.
Ein Pt100 erlaubt reproduzierbare Messungen. Die Zuleitungen sind kurz, 
also Pt100 in 4-Leiter Messung statt Pt1000.
NTC und PTC wie KTY würde ich nicht nutzen, Digitalsensoren wie DS1820 
gingen, reagieren aber träger.

Autor: Zitronen F. (jetztnicht)
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Kauf einen fertigen Klimaschrank. Bei dem sehr mageren Wissen wird ein 
Selbstbau eh nichts.

Autor: Sven J. (svenj)
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Moin,

mir ist kein Klimaschrank mit Peltierkühlung bekannt, auch bei 
wesentlich kleineren Exemplaren laufen da beachtlich grosse Aggregate 
mit Verdampfer/Verdichter an sobald gekühlt wird.

Ich würe jedenfalls zunächst mal einen kleineren Aufbau realisieren und 
die einzelnen Teile nacheinander implementieren.

Temperaturmessstellen dürften gerne mehr dazu, mit der geringen 
Luftgeschwindigkeit könnte man sich komische Effekte vorstellen; 
kommerzielle Geräte können kleine Stürme entfesseln um das gesamte 
Volumen schnell umzuwälzen.

Dämmung nicht vergessen. Wenn Du 6qmm Oberfläche hast, kann sich da eine 
Menge Energie bewegen.

Überschlag doch mal anhand der Flächen, Wärmeleitwerte und gewünschten 
Temperaturunterschiede, wie viel Leistung deine Wärmepumpen haben 
müssen. Heizen ist sicher nicht das Problem, aber Kühlen ist aufwendig!

--
  SJ

Autor: jovise (Gast)
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Danke euch für eure Beiträge.

Sapperlot W. schrieb:
> Kauf einen fertigen Klimaschrank. Bei dem sehr mageren Wissen wird
> ein
> Selbstbau eh nichts.

Danke für den Ansporn :) die Menschheit wäre mit dieser Denkart wohl 
nicht allzu weit gekommen. Alle kaufbaren Schränke über die ich 
Informationen eingeholt habe, weisen sehr hohe 
Strömungsgeschwindigkeiten im Inneren auf. Ohne aufwändige Umbauten ist 
da nicht zu holen.


Sven J. schrieb:
> Moin,
>
> mir ist kein Klimaschrank mit Peltierkühlung bekannt, auch bei
> wesentlich kleineren Exemplaren laufen da beachtlich grosse Aggregate
> mit Verdampfer/Verdichter an sobald gekühlt wird.
>
>
> Dämmung nicht vergessen. Wenn Du 6qmm Oberfläche hast, kann sich da eine
> Menge Energie bewegen.
>
> Überschlag doch mal anhand der Flächen, Wärmeleitwerte und gewünschten
> Temperaturunterschiede, wie viel Leistung deine Wärmepumpen haben
> müssen. Heizen ist sicher nicht das Problem, aber Kühlen ist aufwendig!
>
> --
>   SJ

Sowohl Memmert als auch Binder nutzen Peltierelemente in ihren Schränken 
und dort sind die Temperaturbereiche weit weit größer. Ich werde ja 
meist nur ca. 5 °C unter Umgebungstemperatur kühlen müssen (abgehesen 
vom Hochsommer).

Ich habe eben eine überschlägige Rechnung gemacht und komme mit einer 25 
mm Dämmung am Gehäuse (sicher noch ausbaubar) und einem delta_T 
innen/außen von 10 K auf einen Verluststrom von 120 W. Das ist natürlich 
erstmal nicht wenig, Peltierelemente sind ja keine Leistungsbrecher. 
Allerdings geht es ja darum ein konstantes Klima zu schaffen, d.h. in 
der Einlaufphase kann sowohl der Luftdurchsatz als auch die Leistung 
höhere gefahren werden, bis die gewünschte Temperatur erreicht ist.
Ich werde mich jetzt mal ausführlich mit der Auslegung und 
Dimensionierung von Peltiers beschäftigen.

Autor: AndOr (Gast)
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Ich denke auch das ein Peltierelement von der Leistung nicht ausreichend 
genug ist. Kommt natürlich auch auf die Reaktionsgeschwindigkeit drauf 
an.

Bei Klimakammern ist die Feuchtigkeitsregelung auch sehr mühsam. 
Vorallem wenn du das Ding öffnest gibt es sofort immer einen hässlichen 
anstieg der Luftfeuchtigkeit.

Luftgeschwindigkeit zum umwälzen scheint mir auch sehr tief. Die Gefahr 
da besteht das sich die Luft nicht richtig umwälzt und sich in der 
Kammer verschiedene Temperatirzonen bilden. wenn du in der Abluft deine 
Messungen vornimmst kann es sein das es dann zu üblen fehlmessingen 
kommt.
Ich würde den Sensor lieber im Raum mittig platzieren.

Autor: Zitronen F. (jetztnicht)
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Zu Peltiers ist zu sagen...
120W thermisch ist eine Menge. Selbst bei Delta T gleich null ist der 
wirkungsgrad nur vielleicht 30%, dh um die 120W zu pumpen, musst die 
400W reinstecken, und auch abfuehren. Bei DeltaT ungleich Null wird's 
schlechter, also denk an 500..1000W die abgefuehrt werden muessen. Das 
geht nur per Wasser.
Die Peltiers werden eine Menge kosten...

Numm einen Kompressor, und ueberleg wieviel Volumen du wirklich 
brauchst.

Autor: butsu (Gast)
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Wie homogen müssen Temperatur und Feuchte werden? Die geringe Umwälzung 
wird wohl eines der größten Probleme werden.

Wie willst du die Feuchte messen? Die üblichen Halbleiter-Sensoren haben 
ja selbst schon eine Genauigkeit von +-3. Gute Schränke verwenden 
Psychrometer. Die funktionieren aber nur, wenn sie ordentlich angeströmt 
werden...

Autor: Matt (Gast)
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das hier ist ein Standard-Gerät für solche Zwecke, ev haben sie auch 
grössere Öfen:
http://www.thunderscientific.com/humidity_equipmen...

Hat keine "Umluft", Feuchte über sehr kleine Volumenströme, ca 1-10 
Liter/Minute.

Autor: olaf (Gast)
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Fertig kaufen ist garantiert billiger als sowas selber bauen. Aber wenn 
du das nicht glaubst dann mach ruhig...

Fuer den Anfang empfehle ich mal das du dich informierst wie du denn die 
Luftfeuchtigkeit dauerhaft in dem von dir gewuenschten Bereich 
zuverlaessig messen willst. Mit einem fertigen IC fuer 3Euro geht das 
nicht.

Ausserdem vermisse ich Angaben darueber was du in deiner Kiste so 
treiben willst. Wenn das z.B ein Geraet drin steht das selber 100W 
verbraucht dann musst du das natuerlich auch abfuehren koennen.

Die hohe Luftstroemung haben fertigen Kammern fuer gewoehnlich weil der 
Kunde sowas haben will. Oder willst du anstatt Stunden lieber Tage 
warten bis das was in der Kammer steht hast auf die Temperatur der 
Kammer runter ist?

Olaf

Autor: Zitronen F. (jetztnicht)
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Falls hohe Stroemungsgeschwindigkeiten ein Problem sind ... 
Lufttemperatur und Feuchtigkeitsmessungen werden extrem unpraezise falls 
nicht, denn die Zeitkonstanten werden zu hoch. Gradienten bleiben 
aufgrund langsamer Transportmechanismen sehr lange stehen. Nebel, 
Inversionslagen existieren als Gleichgewichtszustand naemlich nicht. 
Trotzdem bleiben diese temporaeren Zustaende lange stabil.

Bedeutet.. sobald in einer Klimakammer Waerme erzeugt oder benoetigt 
wird, sobald Feuchte benoetigt, oder erzeugt wird misst man was man 
will, oft relativ stark daneben. 5 Grad Temperatur und 10% Feuchte 
Verteilung ueber so ein Volumen sind schnell erreicht.

Worum geht es ueberhaupt ?

Autor: jovise (Gast)
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Also um noch mal etwas mehr Licht ins Dunkel zu bringen: die kaufbaren 
Schränke in der passenden Größenordnung mit einstellbare RH und 
Temperatur beginnen bei ca. 15.000 EUR. Aus diesem Grund macht ja es 
durchaus Sinn, erstmal zu schauen, was in Eigenregie möglich ist.

In der Mitte der Kammer werden dünne Kunstofffasern gesponnen, deshalb 
die Anfälligkeit gegenüber Luftströmungen. Die hat erstmal keinen 
nennenswerten Wärmeausstoß zur Folge.
Wie schon gesagt: Es kann durchaus Einlaufzeiten geben, also ohne 
laufenden Prozess die Klima einschalten, Lüftgeschwindigkeit auf 30.000 
upm und Kette. Sind die T- und RH-Bedingungen erreicht, wird der Lüfter 
runtergerelt und der Prozess gestartet (Dauer 1-5 Minuten). Wichtig ist 
nicht dass schnelle Temperaturänderungen erfolgen sondern eine 
angemessene Konstanz.

Zu der Frage, wie homogen das ganze werden soll: es handelt sich ja um 
einen luftdicht abgeschlossenen Kreislauf, also gehe ich davon aus, man 
durchaus mit einer gewissen Genauigkeit für das enthaltene Luftvolumen 
eine Feuchtigkeit (+- 3) einstellen und diese Luft dann umwälzen kann.


Ein weiterer Punkt ist, dass am Ende dieses Projektes durchaus 
herauskommen kann, dass dies alles wirtschaftlich oder technisch nicht 
umsetzbar ist. Auch ein Ergebnis. Trotzdem muss es ausgearbeitet und 
verschiedene Varianten betrachtet und dargestellt werden.

Autor: Route 6. (route_66)
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jovise schrieb:
> In der Mitte der Kammer werden dünne Kunstofffasern gesponnen,

Das sind offensichtlich beachtliche Faserstärken, wenn man dafür 1 m³ 
Raum benötigt.

Autor: jovise (Gast)
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Route 6. schrieb:
> jovise schrieb:
>> In der Mitte der Kammer werden dünne Kunstofffasern gesponnen,
>
> Das sind offensichtlich beachtliche Faserstärken, wenn man dafür 1 m³
> Raum benötigt.


Das war eine skalierbare Vornnahme ;) ich bin nach einigem Rechnen 
mittlerweile auch bei der Erkenntnis, dass 1 m³ Innenraum nicht 
realistisch klimatisierbar ist mit den Mitteln die mir zur Verfügung 
stehen. Mit etwas dickerer Dämmung sowie Maßen von 0,7m/0,7m/0,7m liegt 
der Verluststrom bei ca. 30W. Damit werden die Pelztiere auch wieder 
realitischer

Autor: Thorsten S. (heidelbersch)
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Servus Jovise,

ich habe vor kurzem einen Inkubator selbst gebaut. Ich habe nur die 
Funktion Heizen und Befeuchten.

Für die Funktion Heizen habe ich ein Solid State Leistungssteller mit 
Phasenanschnittsteuerung verwendet welche eine 60 W Glühbirne dimmt +- 
0,2 °C.
Alternativ zur Glühbirne könnte man Heizkabel aus dem Terrarien Zubehör 
verwenden.

Beim Befeuchten habe ich lange mit verschiedenen Ultraschall Befeuchtern 
probiert und bin jetzt auf eine Terrarien Beregnungsanlage umgestiegen 
diese ist aber zurzeit noch ungenau + 7 % r.F . Plan ist es noch mit 
verschiedenen Einspritzdüsen zu experimentieren.

Autor: Bernd F. (metallfunk)
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Bei Humidoren ( Zigarrenlagerung) gibt es interessante Konzepte
zur Feuchteregelung.

Temperatur ist dagegen recht einfach.

Ich sehe ein größeres Problem bei den nötigen Sichtfenstern, da
kommt einiges an Wärme durch.

Grüße Bernd

Autor: Ich (Gast)
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Hast Du mal bei Mytron angefragt? Die haben Schränke im Angebot, die 
Deinen Anforderungen nahe kommen, und sind sehr flexibel. Ich arbeite da 
nicht, wir haben nur mal mit denen ein Konzept für einen sehr speziellen 
Schrank erarbeitet.
http://www.mytron.de/

Ansonsten gibt es noch Brutschränke mit Peltier-Elementen, gebraucht 
durchaus auch preislich attraktiv - nur meist ohne Feuchteregelung.

Autor: Blechbieger (Gast)
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Da dein Prof offensichtlich nicht in Klimatechnik forscht versuche ihm 
deutlich zu machen dass a) deine Zeit (Geld kostet du ja nichts bis sehr 
wenig) wissenschaftlich sinnvoller einsetzbar ist und b) für ihn 
wichtiger, er schneller zu Ergebnissen und damit Veröffentlichungen 
kommt wenn er aus Projekt- oder freien Mitteln einen fertigen 
Klimaschrank kauft. Einer mit abschaltbarer Umwälzung scheint ja zu 
reichen.

Falls dass nicht klappt solltest du an anderen Instituten und Fakultäten 
nachforschen ob es schon einen passenden Schrank gibt den ihr 
mitbenutzen könnt. An technischen und naturwissenschaftlichen Fakultäten 
sollte es etliche geben. Da es möglicherweise keine zentrale 
Laborausstattungsliste gibt bedeutet das abklappern der 
Laborverantwortlichen.

Autor: Amateur (Gast)
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Das wird seeeeehr aufwändig!

Geringe Strömungsgeschwindigkeiten kannst Du Dir abschminken. Es sei 
denn Du nimmst die Luft, unverändert, von außen. Ansonsten gilt: Die 
warme Luft musst Du nach unten blasen, die kalte nach oben. In dem 
Moment, in dem Du irgendwas in einen so riesigen Raum stellst, hast Du 
Ecken und "Schatten", die Du nur durch ordentliche Luftbewegung 
vermeiden kannst. Konkrete Geräte haben gerne den Ventilator auf halber 
Höhe und blasen dann geradeaus. Erledigen also das hoch/runter durch 
Strömungsgeschwindigkeit.
Außerdem ändert jedes Teil, das Du in den Innenraum bringst die 
Temperatur und damit sogar die Luftfeuchte.
Weiterhin "veränderst" Du ja ständig die Luft. Diese soll ja überall 
gleich sein. Also schon wieder blasen.

Willst Du auch eine halbwegs geregelte Luftfeuchte haben, so wird es 
richtig aufwändig.
Ein Bleistift: Die Einstellungen stimmen (geregelt durch ein 
Heizregister und einen Verdampfer) und jetzt soll eine geringere 
Luftfeuchte eingestellt werden. Das geht aber nur, indem Du die gesamte 
Luft (blasen) abkühlst und das (überschüssige) Wasser 
herauskondensierst. Dadurch stimmt dann aber wieder die Lufttemperatur 
nicht mehr. Also anschließend heizen.

In der Praxis wird das ganze wohl darauf hinauslaufen, dass Du zwei fast 
unabhängige Einheiten benötigst.
Eine, die sich um die Lufttemperatur kümmert und
eine, die sich um die Luftfeuchtigkeit kümmert.

Erstere, meist eine Kombination aus Heizregister und Wärmetauscher und 
dem obligatorischen Ventilator. Die muss sowohl die Innenluft, als auch 
die eingestellte Masse heizen bzw. kühlen können.
Die Zweite bestehend aus einem Kühler (wenn zu feucht) einem Verdunster 
(meist Ultraschall, wenn zu trocken) und hinten eine weitere 
Heiz-/Kühlkombination um die Austrittsluft auf den Eingangszustand zu 
bringen - dem nach je.

Alles in allem nichts, was man mal zu zwischen Frühstück und Mittag 
plant, geschweige denn konstruiert.

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