Aus der Sicht der Kälte- und Klimatechnik ist das Kunststoff-Spritzgießen ein besonders interessantes Verfahren, weil verschiedene Prozess-Schritte und Anlagenkomponenten jeweils unterschiedliche Anforderungen an die Temperierung stellen. Zunächst wird das Werkzeug je nach Material nach dem Einspritzen der Schmelze mit circa 10 bis 15?°C kaltem Wasser gekühlt, um ein rasches Ent-formen zu gewährleisten. Ein zweiter Kreislauf mit einer Vorlauftemperatur von 30 bis 35?°C hat die Aufgabe, die im Hydraulik-Kreislauf entstehende Wärme abzuführen. Das ist wichtig, weil rund 30 bis 35 Prozent der Gesamtleistung eines Hydraulik-Antriebs in Wärme umgewandelt wird und das Hydraulik-Öl sich ohne Kühlen auf-heizen würde.

Auch elektrische Maschinen brauchen Kühlung

Die Antriebe von Schließ- und Injektionseinheit bei elektrischen Spritzgieß-Maschinen benötigen aufgrund ihres besseren Wirkungsgrades weniger Kühlung, aber ohne kommen auch diese Anlagen nicht aus. Der Elektromotor muss temperiert werden, und in vielen Fällen – gerade bei hohen Schließkräften, kurzen Hüben und schnellen Taktraten – wird der Kugelgewindetrieb, der die Rotativbewegung des Motors in eine Linearbewegung umwandelt, ebenfalls gekühlt. Dies geschieht in der Regel durch den Schaft, der als Hohlwelle ausgeführt ist. Bei einigen Antriebssystemen wird auch die Mutter gekühlt.
Bei der Auslegung des passenden Konzepts einer Kälteanlage betrachtet das Unternehmen L&R Kältetechnik in Sundern-Hachen die Energiekosten einer Anlage. Diese machen aus Kostensicht bezogen auf die Lebensdauer einer Maschine einen größeren Anteil aus als die Investitionskosten. Dabei stehen fünf Aspekte und Maßnahmen im Vordergrund:

Bedarfsgerecht dimensionieren
In der Praxis sind viele Anlagen mit überdimensionierten Antrieben oder falsch ausgelegten Wärmetauschern ausgestattet. Oft wird auch nicht das beste Kältemittel für den jeweiligen Anwendungsbereich verwendet. Das mag aus Sicht des Maschinenbauers verständlich sein, weil man eine „eingebaute Sicherheit“ wünscht oder sich nicht intensiv mit der bedarfsgerechten Dimensionierung befasst. Aber es führt zu deutlich höheren Betriebskosten. Neben der Dimensionierung sollte der Konstrukteur beziehungsweise der Anwender auch auf Anlagenkomponenten achten, die zur Energie-Einsparung beitragen. Dazu gehören stufenlos geregelte Schraubenverdichter, elektronische Expansionsventile sowie frequenzgeregelte Pumpen und Ventilatoren.

Winter-Entlastung durch freie Kühlung

Mit der freien Kühlung oder Winter-Entlastung nutzt der Verarbeiter die niedrige Umgebungstemperatur zur direkten Kühlung des Kühlwassers und spart Energie. Hierzu wird ein zusätzlicher, luftgekühlter Wärmetauscher in den Anlagenkreislauf integriert. Sobald die Lufttemperatur rund 2?K unterhalb der Rücklauftemperatur des Kühlmediums liegt, wird der Wärmetauscher der Kälteanlage vorgeschaltet. Bei einer Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf- und Rücklauftemperatur von 5?K kann die freie Kühlung schon bei einer Abkühlung von nur 1?K rund 20 Prozent Energie einsparen. Bei einer Außentemperatur von 4 bis 5?K unterhalb der Vorlauftemperatur des Kühlmediums kann die gesamte Kühlung auf diese Weise erzeugt werden. Praxiserfahrungen zeigen, dass der Kunststoff-Verarbeiter die kühlungsbedingten Energiekosten auf diese Weise um bis zu 80 Prozent (im Vergleich zu konventionellen Kältemaschinen) reduzieren kann.

Elektronische Drehzahlregelung

Genau wie bei vielen anderen Prozessen lässt sich bei Kälteanlagen Energie einsparen, wenn man elektronische Steuerungen dazu nutzt, drehzahlvariable Antriebe bedarfsgerecht zu regeln. Das ist besonders effektiv bei Verdichtern, Pumpen und Ventilatoren. L&R hat für diese Zwecke die Frigocontrol-Steuerung entwickelt. Sie steuert zum Beispiel die Pumpen und damit die Kühlwassermenge in Abhängigkeit vom Bedarf, der je nach Produktionsauslastung, Jahreszeit und Differenz zwischen Ist- und Solltemperatur stark variiert.

Gleitende Kondensations-Druckregelung

Das Verhältnis von aufgenommener zu abgegebener Wärmemenge und aufzuwendender elektrischer Arbeit ist sowohl vom verwendeten Kältemittel als auch vom vorliegenden Temperaturniveau abhängig. Bei einer Absenkung der Verflüssigungs-Temperatur steigt die Kälteleistung, gleichzeitig sinkt die aufzuwendende Verdichter-Antriebsleistung. Beide Mechanismen tragen zu einer Steigerung des COP (Coefficient of Performance) bei. Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis aus Nutzen zu Aufwand.

Daraus folgt: Die Höhe der Verflüssigungs-Temperatur bestimmt den Energieverbrauch einer Kälteanlage. Im Normalfall beträgt die Verflüssigungs-Temperatur 47?°C bei 35?°C Luft-Temperatur. Um diesen Wert niedrig zu halten, sollten der Wärmedurchgangs-Koeffizient im Wärmetauscher so hoch und die Wärmetauscherfläche so groß wie möglich sein.

Inwieweit man die Verflüssigungs-Temperatur absenken kann, ist abhängig von der Art und Bauweise des Verdichters und der Expansionsorgane. Beide haben auf die Festlegung einer minimal möglichen Verflüssigungs-Temperatur hohen Einfluss. Eine bestmögliche Kombination aus Schraubenverdichtern, Verflüssigern, dem
Kältemittel R 134a, elektronischen Expansionsventilen und der Frigocontrol-Steuerung stellt sicher, dass die theoretisch notwendige Verflüssigungs-Temperatur der Luft-Temperatur über den gesamten Zeitraum mit derselben Differenz folgt. Damit ist eine gleitende Kondensationsdruckregelung (Vari-Kon) realisiert, die ein Merkmal energieeffizienter Kälteanlagen ist.

Wärmerückgewinnung

Vor der Installation einer Kälteanlage sollte geklärt sein, wie und wo die
Abwärme der Kunststoff-Maschinen in anderen Prozessen genutzt werden kann um auf separate Heiz- beziehungsweise Zuheiz-Anlagen verzichten zu können. Das Temperatur-Niveau der Hydraulik-Kühlung von 30 bis 35?°C kann zum Beispiel zur Einspeisung in eine Fußbodenheizung genutzt werden oder aber zur Hallenbehei-zung. Mit eingebauten Wärmetauschern auf der Heißgas-Seite (Wärempumpe) kann das Temperaturniveau der Werkzeugkühlung von 10 bis 15?°C eben-falls in Heizungsanlagen und Warmwasserspeichern genutzt werden. Diese Maßnahmen lassen sich auch nach-träglich realisieren und tragen zur
Energie-Einsparung an anderer Stelle bei.

 

 

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Burkhard Rüßmann