Frequenzregelung spart Energie

Was für ein effizientes KSS-Management zu beachten ist

 

Knoll Maschinenbau, Spezialist für Filter-, Pumpen- und Systemtechnik, legt bei seinen Kühlschmierstoff-Systemen großes Augenmerk auf geringen Energieverbrauch. Eigene Untersuchungen und Recherchen haben ein großes Potential an einsparbarer Energie im gesamten KSS-Management ergeben, das sich durch exakte Auslegung und entsprechende Komponenten erschließen lässt. Die Amortisationszeiten liegen teilweise bei nur einem Jahr.

 

Wer im Kühlschmierstoff-Management nach Energieeinsparmöglichkeiten sucht, wird in verschiedenen Bereichen fündig, zum Beispiel bei den Pumpen. Im Bereich der Werkzeugmaschinen werden zur Hochdruckversorgung mit Kühlschmierstoffen vorwiegend Verdrängerpumpen eingesetzt. Die KTS-Schraubenspindelpumpe von der Knoll Maschinenbau GmbH, Bad Saulgau, ist eine solche selbstansaugende Verdrängerpumpe, die sich durch geringe Pulsation, hohen Wirkungsgrad und lange Lebensdauer auszeichnet. Mit dieser Pumpe hat Knoll vier unterschiedliche Formen der KSS-Versorgung und den jeweiligen Energiebedarf zur Bearbeitung eines Getriebegehäuses untersucht. Verschiedenste Werkzeuge (Fräser, Bohrer und Gewindebohrer) kommen dort zum Einsatz, so dass als Werkzeugwechselzeit insgesamt 50 Sekunden angenommen wurden und die gesamte Bearbeitungszeit auf 400 s veranschlagt wurde.

Während im ersten Versuchsfall das Druckbegrenzungsventil der Pumpe fest eingestellt wurde, ließ sich dieses im zweiten Versuch steuern. So konnte der Druck in den Werkzeugwechselzeiten auf nahe Null zurückgefahren werden. Allein dadurch ließ sich der Energiebedarf der Kühlmittelanlage um 11% senken. Wenn die Kühlmittelaufbereitungsanlage mit Druckbegrenzungsventil bei konstanter Drehzahl und gesteuertem variablem Druck betrieben wird, wie im dritten Versuch, sind 36% Energieeinsparung möglich. Die Mehrkosten für solche Ventile sind nicht allzu hoch und amortisieren sich in kurzer Zeit. Diese Möglichkeit wird Knoll künftig in die Angebote bei Einzelanlagen für Werkzeugmaschinen aufnehmen.

Das Highlight im Knoll-Angebot ist jedoch das PQ-Tronic-System. Mit einer frequenzgeregelten KTS-Pumpe werden damit bei variablem Druck, Volumenstrom und Drehzahleinstellung sogar 70 % Energieeinsparung erreicht - was der vierte Versuchsfall bestätigt hat. Das PQ-Tronic-System - das den Druck (P) und den Durchfluss (Q) elektronisch regelt - bietet zusätzliche Vorteile: Durch frequenzgeregelte Antriebe an den Pumpen erhöht sich die Pumpenstandzeit, es erfolgt ein geringerer Wärmeeintrag in den Kühlschmierstoff, wodurch sich die Kühlleistung reduziert. Trotz relativ hohem Investment winkt beim Einsatz von PQ-Tronic die größte Energieeinsparung und kürzeste Amortisationszeit.

Augenmerk auf die richtige Dimensionierung

 

Wer energieeffiziente Kühlschmierstoffsysteme installieren möchte, sollte auch auf verschiedene andere Details achten. Dazu zählt zum Beispiel die Verrohrung. Denn das Fördermedium sorgt durch Reibung an der Rohrwand für Druckverluste, die sich je nach Durchmesser unterscheiden. Wenn man 200 l/min Emulsion 10 m weit fördern will und dazu eine Rohrleitung von 20 mm Durchmesser hernimmt, wird eine Strömungsgeschwindigkeit von 10,6 m/s benötigt. Die Pumpe muss für diese Strecke einen Druckverlust von 4,42 bar ausgleichen, was einer Mehrleistung von 2,5 kW entspricht. Wird ein Rohrdurchmesser von 40 mm gewählt, erreicht man eine Strömungsgeschwindigkeit von 2,7 m/s - was erfahrungsgemäß vollkommen ausreicht. Die Pumpe muss hier nur einen Druckverlust von 0,12 bar ausgleichen und dafür 0,1 kW Mehrleistung aufwenden.

Höherer Wirkungsgrad zahlt sich aus

Auch die Motoren für den Pumpenantrieb sollten genau unter die Lupe genommen werden. Inzwischen gibt es Drehstrommotoren in unterschiedlichen Effektivitätsklassen EFF1 und EFF2. Bei einem beispielhaften EFF2-Motor mit 5,5 kW, wie er heutzutage Standard ist, beträgt der Wirkungsgrad 86%, in EFF1-Ausführung 89,5%. Die Energieeinsparung summiert sich bei 6000 Betriebsstunden auf knapp 1600 kWh, was bei einem Strompreis von 0,1 Euro/kWh fast 160 Euro beträgt. Was viele von der Investition in einen EFF1-Motor abhält, sind die Mehrkosten, die auf den ersten Blick nicht unerheblich sind. Beim 5,5 kW-Motor belaufen sie sich auf etwa 270 Euro, die sich allerdings in einer 2-Jahres-Frist bei den meisten Anwendungen amortisiert haben sollten.

Energiesparen beim KSS-Filtern

Frequenzregelung verspricht auch beim Filtern der Kühlschmierstoffe hohe Energieeinsparmöglichkeiten. Sehr erfolgreich bietet Knoll seinen "Energiesparfilter" VLX 5000 an. Dieser Hochleistungsvakuumfilter eignet sich ideal zum Reinigen von Kühlschmierstoffen (KSS) bei spanabhebenden Bearbeitungsverfahren, insbesondere bei Schleifprozessen. Seine besondere Wirtschaftlichkeit ergibt sich aus der hohen Energieeffizienz, dem geringen KSS-Verlust und den niedrigen Entsorgungskosten für den Filterkuchen.

Der Filterprozess läuft beim VLX 5000 folgendermaßen ab: Die verunreinigte Flüssigkeit strömt in den Schmutzbereich und steigt an. In der Filterkammer erzeugt die Vakuumpumpe einen Unterdruck. Die Flüssigkeit läuft - begünstigt durch den hydrostatischen Druck und das aufgebaute Vakuum - durch das Filterband, das die Schmutzpartikel zurückhält, in die Filterkammer. Auf dem Band entsteht ein Filterkuchen (Konzentrat), der selbst als Filtermedium dient und kleinste Schmutzpartikel abscheidet. Eine Filterpumpe befördert schließlich die gereinigte Flüssigkeit von der Filterkammer in den Reintank.

Wieder überzeugen geregelte Pumpen

Besonderes Merkmal des Vakuumfilters VLX 5000 sind seine geregelten Filter- und Vakuumpumpen, die die Systemleistung permanent dem erforderlichen Volumenstrom und der Schmutzmenge anpassen. Da dieser Filter optimal für die zentrale Vollstromreinigung von Kühlschmierstoffen mehrerer Maschinen geeignet ist, wechselt der Volumenstrom mit der Anzahl der in Betrieb befindlichen Maschinen. Herkömmliche Filtersysteme betreiben die Pumpen durchwegs mit Volllast, was einerseits maximalen Stromverbrauch bedeutet und andererseits für stark schwankenden Füllstand im Schmutzbereich sorgt. Beim VLX 5000 überwachen Sensoren den Füllstand. Die Vakuumpumpe variiert ihre Leistung nun derart, dass der Füllstand auf einem hohen Niveau möglichst konstant bleibt. Das sorgt für einen gleichmäßig hohen hydrostatischen Druck und einen optimierten Wirkungsgrad. Die beruhigte Strömung begünstigt den gleichmäßigen Filterkuchenaufbau und verbessert damit die Filterqualität. Auch die Filterpumpe arbeitet bedarfsgesteuert und energieeffizient: Sie fördert gerade soviel Reinflüssigkeit aus der Filterkammer, dass ihr Füllstand möglichst konstant bleibt.

Die automatische Regelung der Pumpen macht sich in Energieeinsparungen von bis zu 40 Prozent bemerkbar. Zusätzlich kann der Vakuumfilter VLX 5000 mit einer Reihe weiterer Vorteile aufwarten. So sorgt er beispielsweise für ein Konzentrat mit geringer Restfeuchte und ohne Filterhilfsmittel. Durch den verminderten KSS-Verlust gewinnt man nützliche Wertstoffe zurück, die Entsorgungskosten minimieren sich. Die Zwangsentgasung in der Filterkammer sorgt für eine schonende und schaumhemmende KSS-Behandlung. Der permanente Filtervorgang findet ohne Rückspülunterbrechung statt.

 

Zum Wirkungsgrad von Pumpen

Bei der Energiebetrachtung spielen die Pumpe an sich und ihr Wirkungsgrad eine wesentliche Rolle. Grundsätzlich unterscheidet man Kreisel- und Verdrängerpumpen, die in ihren Ausführungen sehr unterschiedliche Wirkungsgrade erreichen. Bei Kreiselpumpen gibt es z.B. Ausführungen mit geschlossenen Laufrädern, einstufig und mehrstufig, mit Freistrom- und mit Schraubenlaufrädern. Der Wirkungsgrad einer Pumpe wird von vielen Einsatzfaktoren beeinflusst. Eine Kreiselpumpe hat einen optimalen Betriebspunkt. Wenn die Pumpe nicht richtig ausgelegt wurde, bewegt man sich von diesem Betriebspunkt nach links oder nach rechts, wodurch der Wirkungsgrad definitiv abnimmt. Das gleiche passiert, wenn man die Laufräder abdreht oder die Pumpen mit Hilfe von Drosselventilen oder Bypassleitungen verändert. Auch die Viskosität des Fördermediums hat einen bedeutenden Einfluss auf den Wirkungsgrad. Während zähere Flüssigkeiten den Wirkungsgrad bei Kreiselpumpen schädigen, wirken sie sich bei Verdrängerpumpen eher förderlich aus.

 

Auf der AMB 2010 finden Sie die KNOLL Maschinenbau GmbH im Rahmen der PTW-Innovationstour in Halle 5, Stand D32.

 

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Es lohnt sich, das Kühlschmierstoff-Management auf Energiesparmöglichkeiten zu untersuchen.

 

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Lebenszykluskosten von Pumpen

 

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Die KTS-Schraubenspindelpumpe von Knoll zum Beispiel ist eine selbstansaugende Verdrängerpumpe, die sich durch geringe Pulsation, hohen Wirkungsgrad und lange Lebensdauer auszeichnet.

 

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Knoll hat bei diesem Versuchsaufbau vier unterschiedliche Formen der KSS-Versorgung mittels KTS-Schraubenspindelpumpen hinsichtlich des Energiebedarfs verglichen.

 

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Der VLX 5000 ist ein Energiespar-Filter: Mit geregelten Filter- und Vakuumpumpen kann er sich an Schmutzmenge und Volumenstrom anpassen.