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Bachelorarbeit - Fakultät 06

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Bachelorarbeit Simulation und mikrocontroller-gestützte Messung der Temperierung medizinischer Flüssigkeiten in einem Temperaturschrank 1. Einleitung und Aufgabenstellung Im Rahmen des Entwicklungsprozesses eines Temperaturschranks, welcher durch seine Regelung Flüssigkeiten temperiert, soll eine Methode zur Datenauf- zeichnung und Regelkreisvalidierung konzipiert werden. Die temperierte Flüssig- keit findet anschließend in der Medizin Anwendung. Die medizinische Nutzung fordert, dass die Temperatur der Flüssigkeit innerhalb weniger Stunden einen gewünschten Sollwert annimmt. Dies setzt eine Validie- rung des Prototyps und dessen Regelkreises voraus. Der Regelkreis beinhaltet die Temperierung der Kammern durch Peltier-Elemente. Die dadurch erzeugte Abwärme wird von Lüftern in das Kammersystem geleitet. Anhand einer Simulation über die thermodynamischen Gegebenheiten wird der Temperaturverlauf nummerisch und grafisch ermittelt. Die Temperaturwertaufzeichnung des Prototyps ermöglicht eine grafische Darstel- lung des realen Temperaturverlaufs. Die Umsetzung der Datenaufzeichnung erfordert eine Erweiterung des Versuchs- aufbaus. Mittels externer Speicher- und Steuerplatine sollen die zur Validierung notwendigen Informationen gesammelt und verwaltet werden. Die nummerisch und experimentell erworbenen Ergebnisse sollen eine Analyse der Temperaturregelungseigenschaften des Prototyps ermöglichen. Hochschule für angewandte Wissenschaften FH München Fakultät 06 für Feinwerk- und Mikrotechnik, Physikalische Technik Simon Schlosser Seite | 4

Bachelorarbeit Simulation und mikrocontroller-gestützte Messung der Temperierung medizinischer Flüssigkeiten in einem Temperaturschrank 2. Modellentwurf der Temperaturkammer Abbildung 1 reales System einer quaderförmigen Temperaturkammer 2.1. Prototyp - Temperaturschrank Hochschule für angewandte Wissenschaften FH München Fakultät 06 für Feinwerk- und Mikrotechnik, Physikalische Technik Um den Temperaturverlauf des Prototyps simu- lieren zu können, wird ein möglichst der Reali- tät entsprechendes, jedoch stark vereinfachtes Modell erzeugt. Die im realen System vorhan- dene quaderförmige Temperaturkammer, siehe Abbildung 1, mit dem darin hängenden Flüssig- keitsbeutel dient zur Überführung in ein geo- metrisch einfach zu berechnendes Modell. Der Prototyp temperiert den Kammerraum durch die Ansteuerung von Peltier- Elementen, dessen Abwärme durch Lüfter in das Zweikammersystem geleitet wird. Dieser Luftstrom stellt somit die Sollwerttemperatur in der Kammer ein. Bei dem Prototypen ist zu beachten, dass es sich um ein geschlossenes System han- delt. Hierbei wird das Luftvolumen von der Kammer über die Peltier-Elemente ge- führt und anschließend als temperierter Luftstrom zurück in den Kammerraum ge- leitet. Die beiden Kammern sind voneinander unabhängig anzusteuern und besit- zen jeweils ein Peltier-Element. Das in der Kammer platzierte Medium nimmt durch den Wärmedurchgang vom warmen zum kalten Medium die Umgebungstemperatur des Kammervolumens an. 2.2. Simulationsmodell Die Thermodynamik weist für die Berechnung des Wärmeübergangs an Wänden mehrere Ansatzpunkte auf. Anhand der vorhandenen Modellkomponenten ist die Überführung in ein Rohrmodell vorteilhaft. Darunter ist zu verstehen, dass die quaderförmige Kammer in eine zylindrische Kammer umgewandelt wird. Der enthaltene Flüssigkeitsbeutel ist ebenso als zy- lindrische Geometrie mit derselben Höhe anzunehmen. Simon Schlosser Seite | 5

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