Heizkomponenten festlegen – ein ausgezeichnetes Gumbo kochen

Wie das Kochen eines leckeren Gumbo muss man beim Festlegen von Heizkomponenten unbedingt einen Systemansatz haben.

von Christopher C. Lanham

Ein häufiger Fehler, der beim Festlegen von Heizkomponenten gemacht wird, ist, nicht ausreichend in Betracht zu ziehen, wie eine Komponente mit ihrer Umgebung und anderen Komponenten im System umgeht. So fordern Ingenieure z. B. oft Heizelemente mit sehr spezifischer Temperaturgleichförmigkeit an, ohne zu verstehen, dass Temperaturgleichförmigkeit keine Eigenschaft eines Heizelements ist (Leistungsableitung ist ein Attribut von Heizelementen). Ähnlich wird, wenn ein neues thermisches System die Temperatur nicht innerhalb der gewünschten Toleranzen halten kann, oft gefolgert, dass die Genauigkeit oder Präzision der PID-Regeleinheit das Problem verursacht. Jedoch sind Probleme mit der mechanischen Passung viel öfter der Grund für instabile Reaktionen von Sensor oder Heizelement. Um die beste Auswahl einer Heizkomponente für eine Anwendung zu treffen und um Zeitverschwendung beim Ansehen neuer Ausrüstung zu vermeiden, muss man im Sinn behalten, dass die Leistung eines Systems nicht allein aus der Summe der Leistung jeder einzelnen Komponente besteht. Selbst für sehr einfache thermische Systeme können die Design-Cycle Time und die Entwicklungskosten drastisch reduziert werden, wenn man sich die Zeit nimmt, ein komplettes System zu entwickeln. Mit diesem Ansatz können viele potentielle Kopfschmerzen vermieden werden, die verursacht werden, wenn man versucht, eine Komponente nach der anderen in ein thermisches System hineinzuentwickeln.

In der grundlegendsten Form besteht ein thermisches System aus den folgenden Hauptkomponenten:

• Arbeitslast: Der zu erhitzende Artikel.
• Wärmeübertragungs-Medium: Die Materialien und Umgebung, die Wärme zu und von der Arbeitslast übertragen müssen.
• Heiz-/Kühlquelle: Der Artikel, der die Eingangsstromquelle in Heiz/Kühlenergie umwandelt.
• Prozesstemperatursensor: Der Artikel, der die Temperatursensoren der Arbeitslast anzeigt.
• Prozesstemperaturregler: Der Artikel, der die Temperatursensoren der Arbeitslast regelt.
• Leistungsregler: Der Artikel, der den Eingangsstrom zu Heiz-/Kühlquelle verbindet/trennt, je nach Bestimmung des Prozesstemperaturreglers.

Bei kurzen Zeitplänen konzentrieren sich die Entwicklungsingenieure auf die spezifischen Eigenschaften einer bestimmten Komponente und geben sich kaum Mühe, die Zusammenhänge zwischen ihr und anderen Teilen zu verstehen. So wie das Zusammenspiel von Gewürzen einem Gumbo einen Reichtum an Geschmack verleiht, ist die Verlustleistung über die Oberfläche eines Heizelements nur eine „Zutat“ zu der Temperaturgleichförmigkeit in einem thermischen System. Eine Heiz/Kühl-Quelle kann so ausgelegt werden, dass sich die Systemeigenschaft Temperaturgleichförmigkeit herausschält, vorausgesetzt, die Quelle wird auf eine sehr spezifische und geregelte Weise mit den anderen Systemkomponenten kombiniert. Die Definition des Verhältnisses der Systemkomponenten auf eine Weise, dass sich die gewünschte Systemleistung ergibt, ist die primäre Herausforderung beim Erstellen eines thermischen Systems.

Beschreibung des Systems

Die Systementwicklung sollte mit einer klaren Aussage über die Bedürfnisse aus der Sicht des Benutzers beginnen. Vor dem Kochen eines Gumbo könnte die Bedarfsfeststellung sein: „Ich hätte gern etwas Würziges zum Mittagessen“. Für ein Beispiel, das für thermische Systeme relevant ist, nehmen wir das Planen eines Designs für ein Fließprüfgerät, ein Analysegerät zur Bestimmung der Schmelzeigenschaften von Kunststoffen oder Polymeren. Die Bedarfsfeststellung könnte wie folgt sein: „Ich möchte die Temperatur der Probe in meinem Fließprüfgerät auf ±1 % T am Sollwert regeln können.“

Wenn der Bedarf klar festgelegt ist, wird mit der Systembeschreibung begonnen. Dazu wird das Verhalten des Systems definiert, das zum Erfüllen des Bedarfs nötig ist. Verhalten kann beschrieben werden in Beschreibungen „was es macht“ oder der Aktivitäten, die ausgeführt werden müssen. Für unseren Mahlzeit-Bedarf ist eine Verhaltenseigenschaft der Geschmack, in diesem Fall „würzig“. Für unseren Fließprüfgerät-Bedarf ist eine Verhaltenseigenschaft die Temperaturgleichförmigkeit, in diesem Fall ±1 %. Oft wird Verhalten als Funktion bezeichnet und in einer funktionalen Spezifikation durch Beschreibung des Folgenden definiert:

• Mission: zu erfüllende Ziele, zu sammelnde oder zu empfangende Informationen und Grad der Zusammenarbeit mit anderen in der Umgebung.
• Machbarkeit: der Grad, zu dem das System eine eigene Existenz in der Umgebung aufrecht erhalten kann.
• Ressourcen: was erfordert ist für die Verfolgung der Mission und Aufrechterhaltung der Machbarkeit.

Als Nächstes ist es hilfreich, die Struktur des Systems zu beschreiben, insbesondere, wie es aufgebaut ist und wie jede Komponenten mit anderen zusammenarbeitet. Zum Kochen eines würzigen Essens ist die Wahl von Cayenne-Pfeffer eine gute Wahl. Reis ist eine gute Wahl zum Absorbieren des Geschmacks von Cayenne und Shrimp und Okra runden das Gericht ab. Gumbo ist also für ein würziges Essen eine potentiell gute strukturelle Lösung. Und beim Fließprüfgerät wird eine Temperaturgleichförmigkeit von ±1 % entweder eine gute Laststabilität oder ausgezeichnete dynamische Reaktion erfordert. Plastometer-Proben sind klein, daher werden Laständerungen ebenfalls gering sein, aber die Extrusionskammer muss groß dimensioniert sein, um einem hohen Maß an angelegter Kraft widerstehen zu können. Eine potentiell gute strukturelle Lösung ist, den Prüfkanal extern mit einem Bandheizer mit verteilter Wattleistung zu erhitzen. Damit kann die angelegte Wärme gezont werden zum Ausgleich von Verlusten am Kammerende und verringert die Last auf der Reaktionszeit des Regelsystems.

Oft wird Struktur als Form bezeichnet und einer funktionalen Spezifikation hinzugefügt, um eine komplette Systementwicklungs-Spezifikation zu erstellen. Es ist jedoch wichtig, dass vermieden wird, die Struktur eines Systems zu definieren, bevor sein Verhalten gut definiert ist. Im wörtlichen Sinne sollte Form der Funktion folgen, so dass man zur besten Lösung gelangt. Für eine komplette Strukturdefinition müssen folgende Themen behandelt werden:

• Konfiguration: Identifikation jedes physischen Elements, aus denen das System besteht, und seiner Position, Eigenschaften, Materialien und Funktionen.
• Kontext: Die Umgebung, die das System beeinflusst, einschließlich, was es zusammenhält und was es zu zerlegen droht.
• Fähigkeit: Die Leistungsstufe, die basierend auf internen Funktionen erwartet werden kann.

Während eine klare Definition von Verhalten und Struktur eine komplette Systembeschreibung darstellt, ist es nicht unbedingt die beste verfügbare Kombination von Verhalten und Struktur. Zum Erreichen der besten Lösung ist eine Definition der Effektivität erfordert.

Effektivität ist das Maß, wie weit das System die Bedarfsfeststellung erfüllt. Ohne definierte Effektivitätsmessung hat man keine spezifische Methode zur Bestimmung, ob eine bestimmte Systembeschreibung besser als eine andere ist, oder sogar ob eine Systembeschreibung praktikabel ist. Das wird manchmal als „Fit“ beschrieben. Was macht ein Gumbo besser als ein anderes? Und bei Fließprüfgeräten: Über welchen Bereich von Sollwerten ist eine Temperaturgleichförmigkeit von ±1 % wichtig? Muss die Gleichförmigkeit beim Rampen zwischen Sollwerten beibehalten werden? Eine gute Definition von „Fit“ oder Effektivität erstreckt sich auf drei Bereiche:

• Leistung: die akzeptablen Mindestgrenzwerte für Eigenschaften wie Stabilität, Reaktivität und Gleichförmigkeit.
• Verfügbarkeit (von Leistung): die Fähigkeit des Systems, unter normalen Bedingungen weiter zu arbeiten.
• Überlebensfähigkeit: die Fähigkeit des Systems, die Leistung nach anormalen Bedingungen wieder aufzunehmen.

Techniken wie Lösungs-Kosten/Nutzen-Analyse, Objektmodellierung und Simulation sind Systemplanungsansätze zum Messen der Effektivität. Mit einem Effektivitätsfilter kann der Optimierungsprozess zur Bestimmung eingesetzt werden, welche Verhaltens/Struktur-Kombination am Besten zu dem System passt. Beim Bemühen, die Anforderung für die Temperaturgleichförmigkeit für ein Fließprüfgerät zu erreichen, kann der Optimierungsprozess zur Bestimmung des Schwierigkeitsgrads (und der Kosten) verwendet werden, die mit dem Erreichen der erforderten Leistung durch eine bestimmte Konstruktion verbunden ist. Die Optimierung wird entweder bestimmen, dass die Kombination Bandheizer/Prüfkanal innerhalb akzeptabler Grenzen geregelt werden konnte, oder feststellen, dass eine andere Methode der Wärmeanbringung (Struktur) in Betracht gezogen werden sollte.

Durch Optimierung wird sich eine klare Beschreibung der kritischen Attribute oder Eigenschaften des Systems herausschälen. Wenn der Prozess der Beschreibung des Systems, der Definition der Effektivität und der Optimierung erfolgreich sind, sollten die hervorkommenden Eigenschaften, die das Ergebnis ergibt, eng mit der ursprünglichen Bedarfserklärung übereinstimmen. 

Angeben einer Komponente 

Zum Bestimmen einer Komponente ist ein Verständnis von Verhalten, Struktur, Effektivität und Optimierung des Systems erforderlich, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Natürlich ist der Bedarf, die für dieses Verständnis aufgewendeten Bemühungen einzuschränken, insbesondere, wenn ein breiter Spielraum für akzeptables Verhalten oder Leistung vorhanden zu sein scheint, rein praktisch. Die Menge an Sorgfalt und Planung, die für die Vorbereitung eines großartigen Gumbos in New Orleans erforderlich ist, ist wahrscheinlich wesentlich größer als bei einem Bar&grill im Mittleren Westen.

Um ein Gleichgewicht zwischen den eingesetzten Bemühungen (Investition) und dem potentiellen Vorteil (Rendite) zu erhalten, muss das Risiko in Betracht gezogen werden. Hohe Komponentenkosten mit zugehörigen Ausfallkosten werden bestimmen, dass stärkere Bemühungen im Voraus benötigt werden. Alternativ, wenn Komponentenkosten niedrig und Ausfallkosten unbedeutend sind, sind besondere Vorausbemühungen wahrscheinlich nicht nötig, und gebrauchsfertige oder Standardkomponenten können ausreichend sein. Aber wenn eine Komponente speziell für eine Anwendung entwickelt werden muss, d. h. eine Anfangsinvestition, beinhaltet eine sorgfältige Entwicklung einer kompletten Systembeschreibung nahezu immer eine Reduktion der Gesamtkosten durch Vermeidung der Zeit und Kosten iterativer Änderungen.

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Verständnis des Entwicklungsrisikos

Wenn wir wieder das Beispiel des Fließprüfgeräts betrachten, könnte die Bedarfsfeststellung besagen: „Jedes Extrudiermuster muss gleichmäßig bei 150 °C (300 °F) ±1 % gehalten werden“. Wenn dieser Bedarf nicht erfüllt wird, liegt das Entwicklungsrisiko darin, dass die Maschine nicht die erwartete Leistung erbringt und falsche Messwerte für Schmelzeigenschaften anzeigt. Daher wird das Entwerfen des Fließprüfgeräts ebenso ein teures Unterfangen werden, da das mit der Temperaturgleichförmigkeit verbundene Risiko hoch ist.

Das Ergebnis ist, dass eine bedeutende Investition angebracht ist, um eine komplette Systembeschreibung bezüglich der Bedarfsfeststellung zu entwickeln. Ohne eine komplette Beschreibung könnte das gewünschte Verhalten fälschlich als Komponentenspezifikation für eine Temperaturkontroll-Einheit identifiziert werden. Es ist eher wahrscheinlich, dass die unkontrollierte Variation im thermischen Kontaktwiderstand zwischen dem Bandheizer und dem Prüfkanal es unmöglich macht, die Gleichförmigkeit auf dem Muster zu bewahren – ganz gleich wie komplex oder anspruchsvoil die Temperaturkontrolle sein mag. Um sicherzustellen, dass die gewünschte Gleichförmigkeit auf dem Muster erreicht wird, muss die Systemstruktur sorgfältig definiert werden bezüglich aller elektrischen, mechanischen und umweltbedingten Grenzbedingungen, die das Muster umgeben, einschließlich der Erfassung und Messung der Gleichförmigkeit. Zusätzlich zu Sollwert und Gleichförmigkeitsleistung können andere Attribute wie Rampengeschwindigkeit, Rampenzeit, Cycle Time und Durchsatz/Durchlauf auch wichtige Punkte sein.

Zusammengefasst: Wenn das mit dem Erreichen einer Spezifikation zusammenhängende Risiko hoch ist, ist es nicht angeraten, zu versuchen, die Spezifikation durch die Auswahl einzelner Komponenten ohne ein gründliches Verständnis des Systems zu erfüllen. Oft wird die Konstruktion eines numerischen Computermodells für das System benötigt, das die Vielzahl an Faktoren einbeziehen kann, die die Schnittstellen zwischen Komponenten beeinflussen, um eine effektive Lösung zu erreichen.

Verständnis der Auswirkung von Präzision

Ein zusätzlicher und häufig auftretender Fehler ist, einzelnen Komponenten anspruchsvolle Leistungsspezifikationen aufzuerlegen, um die Toleranzaufstapelung einzubeziehen. Wenn diese Methode an Stelle von klaren Systembeschreibungen verwendet oder willkürlich auf alle Komponenten angewendet wird, können die Kosten drastisch eskalieren.

Manchmal ist eine Komponente nur eine Komponente

In vielen Anwendungen kann ein Systemansatz bei der Wahl von Heizkomponenten der Schlüssel zu Ersparnis von Zeit und Kosten sein. Aber häufig sind Systembedürfnisse sehr einfach, daher sind langwährende Investitionen in detaillierte Beschreibungen und Analysen nicht erforderlich. Wenn die Aufgabe ist, einfach Wasser in einem Tank vor dem Einfrieren zu bewahren, dann sind nur ein paar thermische Berechnungen erforderlich, um eine Komponente „von der Stange“ auszuwählen. Im Prozess der Auswahl eines Heizelements für eine derartige Anwendung werden die Fragen, wie die Wassertemperatur erfasst und das Heizelement geregelt wird, leicht angegangen und beantwortet. Das Risiko ist niedrig, ob ein sehr formelles Systementwicklungsprozess befolgt wird oder nicht. Die Herausforderung für den Systemdesigner ist nicht, jedermann davon zu überzeugen, dass alle Probleme Systemprobleme sind. Statt dessen muss er einfach sicherstellen, dass die gewählte Lösung die Eigenschaften hervorbringt, die die Bedürfnisse des Benutzers erfüllen.

Oder ist das wirklich so?

Eine letzte Warnung ist angebracht. Oft wird ein vermeintliches Bedürfnis als Komponentenbedürfnis angegeben, kann aber in Wahrheit nicht über einem Komponentenansatz befriedigt werden. So wie viele Speisen mit einem bestimmten Gewürz in Verbindung gebracht werden, kommt man mit Cayenne-Pfeffer allein nicht zu einem Teller von schmackhaftem Gumbo.