Gewünschter Durchfluss mit minimaler Energie

Die Temperierung mit flüssigen Medien basiert darauf, mit einer Pumpe das Medium vom Temperiergerät zum Verbraucher und zurück zu fördern. Mit diesem Prinzip lässt sich die Wärmeenergie vom Temperiergerät zum Werkzeug beziehungsweise umgekehrt übertragen. Geschwindigkeit und Güte der Wärmeübertragung hängen unter anderem vom gefahrenen Durchfluss ab. Dieser wiederum stellt sich aufgrund der Pumpencharakteristik und der Geometrie des angeschlossenen Kreislaufes ein. Wird jedoch ein kleinerer Durchfluss gewünscht, so kommt üblicherweise die Durchflussregulierung über ein Reduzierventil zum Tragen. Der Nachteil dieser Methode sind die dadurch steigenden Energieverluste, weshalb immer mehr Temperiergeräte mit drehzahlgeregelten Pumpen zum Einsatz kommen. Mit diesem Verfahren lässt sich die Pumpenkennlinie verändern, um so bei gewünschtem Durchfluss die Pumpe optimal auf den Kreislauf anzupassen. Die Antriebsleistung reduziert sich dadurch auf ein Minimum.

Beim Temperieren von Spritzgieß-Anwendungen gibt es zwei Gründe, die Pumpenkennlinie der jeweiligen Anwendung anzupassen:

• Energieeffizienz /Leistungsanpassung: Damit Temperiergeräte bei Spritzgieß-Anwendungen universell an unterschiedlichen Werkzeugen und Temperierkreis-Geometrien eingesetzt werden können, muss die Pumpe für den leistungsfähigsten Fall dimensioniert sein. Kommt diese Pumpe nun an einem viel kleineren Werkzeug mit geringeren Leistungsanforderungen zum Einsatz, dann erzeugt sie einen übermäßig hohen Durchfluss und benötigt dafür eine hohe Antriebsleistung. Um Energie zu sparen, sollte die Kennlinie reduziert werden, so dass sich ein Durchfluss einstellt, mit dem der Prozess noch sicher gefahren wird.
• Prozessstabilität:  Veränderungen im Durchfluss beeinflussen im Prozess die Temperatur wie auch deren Verteilung am temperierten Objekt. In kritischen Anwendungen kann es deshalb erforderlich sein, den Durchfluss konstant zu halten, wenn mit Veränderungen im angeschlossenen Kreis zu rechnen ist.

Für einen wiederholbar gleichmäßigen Prozess muss mit einer vorgegebenen Durchflussmenge gefahren werden können.

Energieeffizienz versus Prozessstabilität

Generell gilt, dass eine Reduktion des Durchflusses einerseits die Antriebsleistung senkt, andererseits aber aufgrund des verschlechterten Wärmeübergangs im Temperierkanal auch die Prozessstabilität verringert (siehe Abbildung 1). Umgekehrt verbessert eine Erhöhung des Durchflusses den Wärmeübergang aufgrund der eintretenden Sättigung nur noch minimal, der Bedarf an Antriebsleistung steigt jedoch überproportional. Somit ist ein optimaler Durchfluss gefragt, der diesen Zusammenhängen Rechnung trägt. Die Kernfrage, die sich stellt, lautet also: Welches ist der optimale Durchfluss?

Energieeinsparung versus Prozessstabilität

Tabelle 1: Die wichtigsten Einflüsse bei Reduktion des Durchflusses

Eine eindeutige Angabe für den zu fahrenden Durchfluss gibt es nicht. Die Bestimmung erfolgt über die Abschätzung der Vor- und Nachteile aller Einflüsse. Bei der Wahl des Durchflusses handelt es sich daher stets um einen Kompromiss. Die wichtigsten Einflüsse auf die Werkzeugtemperierung beim Reduzieren des Durchflusses werden in Tabelle 1 aufgeführt.

Meist ist nicht klar, welcher nun der richtige Durchfluss für einen Prozess ist. Es bietet sich an, mit einem aus energetischer Sicht sinnvollen Wert zu beginnen und dabei die Bauteilqualität und die Prozessstabilität zu prüfen. Sollten dabei Defizite entstehen, die auf einen zu niedrigen Durchfluss zurückzuführen sind und nicht mit einer Korrektur der Mediumtemperatur zu eliminieren sind, dann muss der Durchfluss angehoben werden. Als Richtwert kann ein Durchfluss gewählt werden, bei dem im Temperierkanal eine Reynolds-Zahl von etwa 20.000 auftritt (Abbildung 1). Dabei ist ein guter Wärmeübergang gewährleistet, ohne dass dafür übermässig viel Pumpenergie erforderlich ist. Gleichung 1 beschreibt die für einen kreisförmigen Fließquerschnitt geltenden Beziehungen.

Gleichung 1: Hinweis: Bei parallel geschalteten Temperierkanälen ist die Betrachtung für jeden einzelnen Kreislauf durchzuführen. Der gesamte Durchfluss entspricht schließlich der Summe aller Teildurchflüsse.

Vereinfacht lässt sich für Wasser der Durchfluss auch in einer Annäherung direkt berechnen, wobei in dieser Formel die Werte in den angegebenen Einheiten einzusetzen sind:

Einfluss der Drehzahl auf das Verhalten der Pumpe

Abbildung 2: Am Beispiel einer Peripheralradpumpe werden die Kennlinien bei verschiedenen Pumpendrehzahlen gezeigt.

Die Abhängigkeiten werden zudem mit Gleichungen und anhand von Beispieldaten demonstriert.

Die Drehzahl hat einen direkten Einfluss auf die Förderkennlinie der Pumpe und damit auf den sich einstellenden Durchfluss. Abbildung 2 zeigt am Beispiel einer Peripheralradpumpe die Kennlinien bei verschiedenen Drehzahlen, die nicht nur unterhalb, sondern auch über der festen Nenndrehzahl der Pumpe liegen können. Die Abhängigkeiten werden zudem mit Gleichungen und anhand von Beispieldaten demonstriert. Interessant dabei ist, dass sich der resultierende Durchfluss proportional zur Pumpendrehzahl verändert. Reduziert man die Drehzahl auf die Hälfte, dann halbiert sich auch der Durchfluss.

Der Einfluss auf die erforderliche Antriebsleistung ist viel größer, weshalb auch nur geringe Drehzahlreduktionen energetisch interessant sind. Umso weniger wirtschaftlich wird es, wenn man zur Erhöhung des Durchflusses die Pumpe über der Nenndrehzahl betreibt. Der sogenannte „Boost-Betrieb“ kann jedoch in gewissen Fällen sinnvoll sein.

Betrieb einer drehzahlgeregelten Pumpe

Tabelle 1: Die wichtigsten Einflüsse bei Reduktion des Durchflusses

Mit einem Frequenzumformer lässt sich die Drehzahl der Pumpe stufenlos einstellen, um so das Temperiergerät und den Temperierkreis auf optimalem Durchfluss betreiben zu können. Während bisherige Pumpen mit fester Drehzahl meist von einem Asynchron-Drehstrommotor angetrieben werden, kommen bei drehzahlgeregelten Pumpen typischerweise Synchron-Drehstrommotoren zum Einsatz, deren Wirkungsgrad optimaler ist, wegen der zusätzlichen Verluste des Frequenzumformers jedoch kaum ins Gewicht fällt.

Verschiedene Betriebsarten bieten dem Bediener zudem die Möglichkeit, die Drehzahl in Abhängigkeit anderer Prozessgrößen zu regeln. In Tabelle 2 sind die Betriebsarten zusammengestellt, die HB‑Therm Geräte für den Betrieb mit drehzahlgeregelter Pumpe bieten.

Energieeinsparung

Abbildung 3: Aus der aktuellen Temperaturdifferenz Vor-/Rücklauf und des definierten Sollwertes lässt sich das Einsparpotenzial ermitteln (Leistung und Energie).

Wie oben erwähnt, hängt die benötigte Antriebsleistung vom Arbeitspunkt sowie der Drehzahl der Pumpe ab. Abbildung 3 demonstriert die Auswirkungen auf die Energiekosten. In dem gezeigten Beispiel wurde die Durchflussmenge auf die Hälfte reduziert wurde, weil anstelle der ursprünglichen Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf von 0,5 K auch 1 K ausgereicht haben.

Tabelle 2: Betriebsarten für den Betrieb mit drehzahlgeregelter Pumpe. Hinweis: Für kurze Reaktionszeiten soll die Pumpe beim Anfahren und bei größeren Sollwertänderungen auf die vorgegebenen Anfahr-Drehzahl fahren.

Fazit: Die drehzahlgeregelte Pumpe erlaubt die Anpassung der Pumpenkennlinie an die Bedürfnisse der Anwendung, sodass durch die Reduktion eines übermässig hohen Durchflusses ein beträchtlicher Anteil an Energie eingespart werden kann. Bei der Bestimmung des erforderlichen Durchflusses spielt die zulässige Temperaturdifferenz über dem Werkzeug eine zentrale Rolle, aber auch die Beeinflussung der absoluten Werkzeugtemperatur darf bei Änderungen im Durchfluss nicht vernachlässigt werden.