По всем вопросам
г. Новосибирск, ул. Военная, 18
Обзор жидкостных термостатов
Обзоры лабораторного и аналитического оборудования
Советы по выбору оборудования
Рекомендации по эксплуатации и обслуживанию
Технические обзоры и новинки
Практические кейсы и опыт клиентов
Оглавление
Краткий обзор производителей. Устройство термостата
В настоящем материале будут рассматриваться жидкостные термостаты общелабораторного применения, как наиболее популярные. Есть специализированные термостаты для нефтяных лабораторий и метрологических исследований. Они заточены на выполнение конкретных задач под отраслевые ГОСТы, в которых зачастую предъявляются требования к конструктивным особенностям термостатов, поэтому они стоят особняком от общелабораторных.
Среди российских производителей лидирующие позиции в производстве термостатов занимают ЛОиП и Термэкс. У них огромный ассортимент, насчитывающий десятки моделей общелабораторного и отраслевого исполнения, богатый многолетний опыт, накоплена хорошая культура производства, их термостаты надежны, имеют представительский вид и оснащены большим набором сервисных функций.
Жидкостный термостат – это устройство, предназначенное для поддержания постоянной температуры в заданном диапазоне с высокой точностью (±0,1 °С и меньше) с использованием жидкости в качестве теплоносителя.
Устройство термостатов мало отличается друг от друга, поэтому разберем на примере термостата ВТ10.
Термостат состоит из ванны 1 (как правило, от 3-х до 30-и л) и управляющего модуля 2, в простонародье - «головы термостата». На нем задаются все необходимые режимы работы.
Погружная часть головы выглядит так:
- Штуцеры для подключения к внешней системе охлаждения, например, водопроводу для достижения температур, ниже комнатной (об этом будет подробно чуть ниже).*
- Охлаждающий змеевик.**
- Циркуляционный насос.***
- Датчик температуры.
- Поплавок датчика уровня теплоносителя.
- Электрический нагреватель (внутри спирали находится вентилятор, осуществляющий перемешивание жидкости внутри ванны).
Примечания:
* Рядом с указанными штуцерами 1 размещена пара других (под цифрой 2). Они предназначены для подключения внешних объектов термостатирования (т.н. внешний контур). Нагнетание теплоносителя в такие объекты (в данном примере закрытого типа) осуществляется с помощью циркуляционного (нагнетающего) насоса 3. Об этом также будет подробно написано ниже (также как и о внешнем контуре закрытого и открытого типа).
** Охлаждающий змеевик не всегда входит в стандартную комплектацию. Например, у аналогичных термостатов ЛОИП серии LT-100 – это опция, у а LT-200, LT-300, LT-400 идет стандартно.
*** Не все термостаты оснащаются циркуляционными насосами. В этом случае термостатирование осуществляется исключительно в объеме самой ванны. К таким относятся термостатирующие бани ЛОИП серии LB-200 (4 модели) или Т40 от Термэкса.
Кстати, в термостатах Термэкса наличие буквы «В» в названии модели указывает на возможность термостатирования Внешнего контура.
Термостатирование может осуществляться как в области положительных температур (у обозреваемых термостатов не больше 200 °С), так и в области ниже комнатной, вплоть до отрицательных. Минимально возможная температура достигается с помощью термостата Термэкса КРИО-ВТ-90 (-90 °С) и у ЛОИП FT-311-80 (-80 °С).
Такие термостаты называются по-другому криотермостаты, криостаты, реже – просто охлаждающие термостаты.
Термостаты, оснащенные охлаждающими змеевиком, не относятся к таковым. Нижний предел температуры термостатирования у них зависит от температуры подаваемой холодной воды в змеевик. При этом температура внутри ванны будет в любом случае выше температуры водопроводной воды.
Например, ЛОИП так дает техническую информацию:
| Температурный диапазон без внешнего охлаждения, °С | Токр. +10...+200 |
| Температурный диапазон с охлаждением водопроводной водой, °С | Тводы +5...+200 |
Т.е. если представить, что в комнате 23 °С, то нижний предел температуры термостатирования будет 33 °С без внешнего охлаждения.
Если подключить водопроводную воду с температурой 15 °С, то нижний предел будет 20 °С. Более высокая температура внутри ванны в обоих случаях объясняется тем, что движущиеся части вентилятора и насоса в процессе работы вырабатывают тепло, которое отдают теплоносителю. Дополнительное влияние также оказывает и более высокая температура окружающей среды.
Основные технические характеристики
1) Объем ванны (указывается в литрах или в ДхШхВ, мм). Здесь следует обратить внимание, что в литрах указывают полный объем ванны. Полезный объем несколько меньше за счет нахождения в ванне погружной части головы термостата. Например, в характеристиках термостата ЛОИП LT-224a объем ванны заявлен как 24 л, а размеры открытой части ванны 360х296х200 мм. Пересчет на литры дает величину 21,3 л. Это и есть полезный объем.
2) Диапазон температур. Он достаточно широк. Нагревающие термостаты, как правило, имеют диапазон от комнатной температуры +5...+10 до 100 и выше, но не более 200 °С. У охлаждающих он варьируется достаточно широко.
3) Точность поддержания температуры. У общелабораторных термостатов обычно составляет ±0,1 °С. У специализированных термостатов, например, Термэкс серии Термотест, используемых метрологическими службами для поверки различных датчиков, ±0,01 °С. То же самое у нефтяных термостатов на испытание вязкости.
4) Производительность насосов. Эта характеристика присуща термостатам, способным термостатировать внешний контур закрытого или открытого типа. Подробно с примерами это будет разбираться ниже.
Можно ли поверить термостат?
Термостаты относятся к испытательному оборудованию. Они создают условия для проведения испытаний, поэтому ничего не измеряют. Как следствие не внесены в Госреестр средств измерений.
Поверить можно только термодатчик, который измеряет температуру внутри ванны, при условии, что он внесен в Госреестр СИ. Как правило, такая поверка необходимо для метрологических термостатов. Прочие термостаты за редким исключением могут поставляться с первичной аттестацией. У Термэкса аттестация включена в стоимость термостатов, у ЛОИП – опция и в стоимость не включена.
Теплоносители. Рекомендации
В качестве теплоносителя могут использоваться различные жидкости. Наиболее популярные - дистиллированная вода (+5...+90 °С) и различные ПМС (полиметилсилоксановая жидкость, -60...+300 °С). Это дешевые теплоносители, не токсичны и не горючи.
Обычно производители указывают, какие именно теплоносители они рекомендуют для работы со своими термостатами. Информация эта есть на их сайтах. И отступать от этих рекомендаций производители КАТЕГОРИЧЕСКИ не советуют.
Рекомендации того или иного теплоносителя связанны с безопасностью, эффективностью и долговечностью термостата. Производители учитывают теплоемкость жидкости, ее вязкость (густые жидкости сложнее перемешивать, что создает повышенную нагрузку на насос), коррозионную активность (учитывается влияние на материалы ванны, компоненты насоса), а также возможное разрушение различных уплотнителей. Как себя поведет по этим параметрам неизвестный теплоноситель – не знает никто. Лучше не рисковать. Иначе есть ненулевая вероятность вывести дорогостоящее оборудование из строя и лишить его гарантии за нарушение условий эксплуатации.
Внешний контур закрытого и открытого типа
Как отмечалось выше, термостаты способны термостатировать внешний контур, т.е. за пределами собственной ванны.
Возможны два типа внешних контуров: закрытые и открытые.
Закрытый (замкнутый) контур - это змеевик определенной длины и конфигурации, подключаемый к патрубкам насоса 2 (напомним, что патрубки 1 предназначены для подключения внешнего охлаждения ванны термостата). Через один патрубок жидкость нагнетается во внешний контур с помощью насоса, через другой поступает обратно в термостат естественным путем под давлением нагнетаемого теплоносителя и, таким образом, термостатирование идет по замкнутому кругу.
В качестве примера к таким емкостям можно отнести: трубу или герметично закупоренную емкость с входным и выходным патрубками.
Например, в ГОСТ ISO 2173-2013. Продукты переработки фруктов и овощей указано, что ячейку рефрактометра нужно термостатировать при температуре 20,0±0,5 °С.
Достаточно подобрать термостат с не очень большим объемом внутренней ванны, т.к. термостатирование внешнего контура закрытого типа требует передачу небольшого количества теплоносителя.
Следует обратить внимание, что температура во внешнем контуре всегда будет отличаться от температуры в ванне термостата за счет неизбежных теплопотерь, и чем больше теплоносителя передается во вне, тем больше будут эти потери. Особенно это касается внешнего контура открытого типа, но об этом ниже. Поэтому при передаче теплоносителя во внешнюю емкость нужно позаботиться о надежной теплоизоляции шлангов и самого объекта. И ЛОИП, и Термэкс такие шланги с термоизоляцией предлагают.
Открытый контур – это открытая емкость, заполненная термостатирующей жидкостью.
В отличие от замкнутого, открытый контур не изолирован и контактирует с воздухом, что приводит к гораздо большим теплопотерям.
Перед началом термостатирования, теплоносителем нужно заполнить как ванну термостата, так и внешнюю ванну.
Самое главное, для работы во внешнем контуре открытого типа необходим термостат не только с нагнетающим насосом, но и с всасывающим (нагнетающе-всасывающий насос). Т.е. во внешнюю емкость нужно не только подать теплоноситель, но и принудительно забирать (напомним, что в замкнутом контуре жидкость возвращается назад самотеком под давлением нагнетания), поскольку большому объему жидкости необходимо передавать нужную температуру из термостата и чтобы она не успевала излишне нагреваться.
На фото выше пример такого открытого контура. Это лабораторный реактор. Конечно, оптимально все-таки термостатировать объекты внутри ванны термостата, но иногда, как в этом случае, их форма и конструкция не позволяют его разместить. Тогда прибегают к внешнему термостатированию.
Обратите внимание, кстати, какой массивный шланг соединяет термостат и реактор. Как отмечалось выше – это необходимая дополнительная термоизоляция теплоносителя.
Температура внутри реактора (или в любом внешнем контуре) будет отличаться от температуры внутри ванны термостата. Какой она будет, реально можно выяснить двумя способами:
1) с помощью внешнего термодатчика при условии, что у самого термостата есть возможность его подключения. У Термэкса это датчик ВТ-Д, у ЛОИП - LA-501 (подключается к термостатам серии LT-200 и LT-400). При подключении внешнего термодатчика и при установке определенной температуры термостат будет стремиться поддерживать температуру не во внутренней емкости, а именно во внешней при переключении в меню на работу в последней.
2) эмпирическим путем при отсутствии возможности подключения внешнего датчика (см. п. 1). Поэтому, если требуется температура во внешнем контуре, например, -10 °С, то не следует выбирать термостат с точно такой же нижней температурой. Лучше взять с запасом, скажем от -20 °С или даже ниже (все зависит от объема как термостата, так и внешней ванны, надежности изоляции – обо всем этом говорилось выше). Также придется потратить какое-то время для того, чтобы установить оптимальный температурный режим, подбирая его фактически наобум, чтобы добиться нужных показателей во внешнем контуре.
Также нужно учесть, что объем ванны самого термостата должен быть больше объема внешней ванны и уж точно никак не меньше. Для достижения лучших показателей минимальное оптимальное соотношение 2:1, т.е. на 2 литра объема термостата приходится 1 литр внешней ванны. Чем больше это соотношение, тем лучше.
Термэкс в обозначениях своих общелабораторных нагревательных термостатах более явно указывает на наличие внешнего контура закрытого и открытого типа.
Как указывалось выше, буква «В» в название модели указывает на возможность термостатирования Внешнего контура. Цифра «-2» указывает на возможность термостатирования внешнего контура открытого типа. Ее отсутствие – только закрытого.
Пример.
BT10 – термостат для термостатирования внешнего контура закрытого типа.
BT10-2 – термостат для термостатирования внешнего контура открытого типа.
Нагревательные термостаты ЛОИП всех серий с LT-100 по LT-400 оснащены только нагнетательным насосом (для закрытого контура).
Кстати, в зависимости от исполнения крышки ванны они обозначаются буквами «а» или «b».
Пример.
LT-424a – термостат с плоской крышкой.
LT-424b – термостат с односкатной крышкой.
У термостатов Термэкса все крышки плоские. Односкатная крышка может позволить термостатировать объекты, высота которых несколько больше внутренней высоты ванны.
Крышку лучше всегда использовать во избежание контакта теплоносителя с воздухом.
В общелабораторных криотермостатах обратная закономерность.
У ЛОИП серия FT-200 работает только на закрытый контур, серия FT-300 – на открытый. У Термэкса в серии КРИО-BT все работают на закрытый контур, кроме КРИО-BT-07.
К слову сказать, термостаты с термостатированием открытого контура, разумеется, годятся и для закрытого. Обратное не верно.
Напомним, что такие параметры, как температура, точность ее поддержания во внешнем контуре любого типа никак не нормируется!
Отдельно стоит отметить наличие у обоих российских производителей моделей, которые работают исключительно на термостатирование внешнего закрытого контура. Они называются «проточные термостаты» или «циркуляционные охладители».
Главные их отличия от обычных термостатов в том, что они лишены внутренней ванны и имеют более мощный нагнетательный насос.
Например, у термостата ЛОИП FT-600 производительность насоса составляет 20 л/мин, объем рабочей жидкости 9,5 л, а у криотермостата FT-211-25 со схожим объемом теплоносителя производительность почти в 2 раза меньше – 10,5 л/мин.
У Термэкса схожая картина и больший ассортимент таких термостатов. Проточный термостат A610 имеет производительность 17 л/ мин, в то время как КРИО-BT-12 – 8 л/мин при объеме теплоносителя у обеих моделей по 6 л.
Таким образом, такие специализированные термостаты необходимо использовать, когда предъявляются повышенные требования к поддержанию температуры во внешнем объекте.
Объекты термостатирования и приспособления для них
При термостатировании объектов нужно помнить, что теплоноситель внутри ванны интенсивно перемешивается для выравнивания градиента температуры.
Термостатировать можно любой объект, лишь бы он не контактировал с самим теплоносителем. Это могут быть колбы, стаканы, пробирки и т.д.
Однако, если масса такого объекта будет незначительной, вихревые потоки жидкости могут его снести.
Поэтому и ЛОИП, и Термэкс предлагают опционно утяжелительные кольца разного диаметра для колб.
Пробирки стоит размещать в металлических штативах, предварительно соотнеся их габариты с размерами ванны. В ассортименте ЛОИП есть штативы для пробирок и бутирометров серии LA-200 (8 моделей) разных диаметров и с глубиной погружения 150 или 200 мм.
Термэкс в этом плане куда более разнообразен и оригинален. У них есть приспособления, позволяющие фиксировать объекты на произвольной высоте.
Например, на фото приведена корзина для размещения двадцати четырех пробирок диаметром 18 мм во внутренней ванне термостата BT12 (BT12-2) или BT15 (BT15-2).
Регулируемое по высоте дно в диапазоне от 10 до 150 мм позволяет обеспечить погружение пробирок в теплоноситель на необходимую глубину.
Или вот такая корзина для размещения различных объектов во внутренней ванне термостата ВТ10 или ВТ10-2.
Регулируемое по высоте дно в диапазоне от 45 до 160 мм позволяет обеспечить погружение объектов в теплоноситель на необходимую глубину.
Сюда можно поместить практически любой подходящий по размеру объект, и он точно никуда «не убежит».
Сами корзины легко извлекать целиком вместе с объектами термостатирования, а не доставать их по одному.