Die Betriebskosten von Kältemaschinen in der Extrusion verursachen häufig einen großen Anteil der Gesamt-Jahres-Energiekosten eines Betriebs, auch wenn derartige Maschinen heutzutage Energy Efficiency Ratios (EER) über drei erreichen [3]. Unter der Annahme, dass eine Rohr-Extrusionsanlage mit einer Extruder-Antriebsleistung von 100 kW bei Volllast betrieben wird, kann bei 5.000 Betriebsstunden pro Jahr, einem Kältemaschinen-EER von drei und Stromkosten von 0,11 Euro/kWh von jährlichen Kosten für die Kälteerzeugung pro Linie von etwa 18.500 Euro ausgegangen werden.

Die Leistung der Pumpen ist dabei noch nicht berücksichtigt. Aufgrund der Tatsache, dass die Temperatur des Kühlmittels in den meisten Betrieben unterhalb der Umgebungstemperatur in der Produktionshalle liegt, muss berücksichtigt werden, dass die Oberflächen der Kühltanks (10 bis 20m²) Wärme aus der Umgebung aufnehmen. Dies führt direkt zu einer Erhöhung der benötigten Kühlleistung, was in der obigen Kostenabschätzung ebenfalls unberücksichtigt blieb.

Ein Reduzieren der Betriebskosten oder auch das Erhöhen der Produktionskapazität ist durch einfaches Anpassen der Kühlstrecken-Parameter oft mit geringem Aufwand zu realisieren. Insbesondere bei häufigen Produktwechseln wird die Kühlstrecke durchgehend in einem Standard-Betriebspunkt betrieben, obwohl eine produktindividuelle Parametrierung Potenzial zur Effizienzsteigerung bietet.
Die SHS Energieeffizienz, Oberhausen, hat zum Optimieren der Kühlstrecke eine Simulationssoftware entwickelt. Die auf der finite Differenzen Methode nach [4], [5] basierende SHS Abkühlsimulation (AKS) berechnet die Rohrtemperatur in radialen Schichten entlang der gesamten Kühlstrecke.

Software zum Optimieren der Kühlstrecke

Besondere Beachtung bei der Modellbildung finden die Materialeigenschaften der Polymere – beispielsweise die temperaturabhängige Wärmeleitfähigkeit oder das Kristallisationsverhalten [6], [7]. Durch Anpassen unterschiedlicher Parameter – Kühlmitteltemperatur, Produktionsgeschwindigkeit oder Kühlstreckendetails – kann der optimale Betriebspunkt der Kühlstrecke errechnet werden. Als Zielvorgabe wird dazu die vom Anwender gewünschte Soll-Innentemperatur des Kunststoff-Rohres am Ende der gesamten Kühlstrecke vorgegeben.

Zur linienspezifischen Berechnung muss einmalig der Aufbau der Produktionslinie in der Software hinterlegt werden. Dabei sind eine Vermessung der Linie sowie eine Datenübergabe in das System notwendig. Darauf aufbauend werden in der so genannten Kalibrierung die kühltank- und produktionsspezifischen Wärmeübergangs- und Wärmeleitungs-Koeffizienten ermittelt, die fortan ebenfalls in der Software hinterlegt werden. Die bereits in einer Datenbank vordefinierten Material- und Anlagenparameter können vom Anwender beliebig ergänzt und erweitert werden.

Kalibriert wird einmalig auf der Basis von Messungen an der Produktionslinie. Ein Sensor erfasst dazu an jeder Stelle der Kühlstrecke die Innentemperatur des Rohres. Parallel dazu werden die Außenwand-Temperatur innerhalb der Kühlstrecke durch Thermografie ermittelt und Materialmessungen am eingesetzten Polymer durchgeführt. Darauf basierend wird die Software kalibriert, so dass Simulation und realer Prozess bestmöglich übereinstimmen.

Für eine solche Datenbasis kann nun mit beliebigen Produktdimensionen und Materialien die Kühlstrecke, sowohl für den Fall einer reinen Außenkühlung als auch für den Fall einer zusätzlichen Innenkühlung, optimiert werden. Zudem lassen sich produktbezogene Eigenschaften wie die Volumenschwindung sowie die Ausbildung von Eigenspannungen im Produkt abbilden. Die Abweichung zwischen der simulierten und der gemessenen Innentemperatur eines Kunststoffrohres liegen dabei in der Regel bei weniger als 3°C, was einem prozentualen Fehler relativ zur Schmelzetemperatur von etwa 1,5 Prozent entspricht.

Veränderte Parametrierung senkt Kosten

Die Analyse der Produktionsbedingungen in verschiedenen Rohrextrusions-Betrieben hat gezeigt, dass Kühlstrecken häufig nicht an ihrem Kapazitätslimit betrieben werden. Für diesen Fall sind unterschiedliche Anpassungen möglich, die die Betriebskosten senken können. Bevorzugt sollte der Durchsatz angehoben werden, wenn keine anderweitigen Umstände diese Effizienzsteigerung verbieten. Zudem kann das Anheben der Temperatur des Kühlmittels zu erheblichen Energieeinsparungen sowie zu einer Verbesserung der Produkteigenschaften hinsichtlich höherer Dichte, höheren Kristallisationsgraden und geringeren Eigenspannungen führen.

ft ist eine deutliche Temperaturerhöhung zu realisieren, so dass es möglich wird, anstelle der energieintensiven Kompressionskältemaschine auf die kostengünstigere Freikühlung umzusteigen. Diese arbeitet mit einem bis zu zehnfach höheren Wirkungsgrad beim Verhältnis der elektrischen Anschlussleistung zur Nutzkälte, so dass für bis zu 80 Prozent der Betriebszeit auf die Kompressionskältemaschinen verzichtet werden kann [8].

Im Falle einer maximal ausgelasteten Kühlstrecke kann durch Simulation schnell gezeigt werden, ob der Durchsatz durch das Absenken der Kühlmitteltemperatur gesteigert werden kann. Darüber hinaus kann mit wenigen Eingaben errechnet werden, ob eine zusätzliche Luft-Innenkühlung zu den damit verbundenen Investitionskosten in einem guten Verhältnis steht. Weiterhin sind die Betriebskosten durch ein gezieltes Abschalten einzelner Kühlstrecken-Segmente zu senken: Häufig werden sowohl sehr dickwandige und demnach sehr kühlintensive Produkte im Wechsel mit eher dünnwandigen Rohren auf einer Produktionslinie hergestellt. Messungen der Innenwand-Temperatur haben gezeigt, dass ein dünnwandiges Produkt auf einer solchen Linie oft bereits vor dem Eintritt in die letzten Sprühkühl-Bäder die Solltemperatur erreicht hat. Ein Abschalten der Pumpen und damit der Kühlwasser-Versorgung in diesen Segmenten kann somit die Betriebskosten erheblich reduzieren.

Häufig wird auch über eine Erweiterung der Kältetechnik diskutiert, die aufgrund von Leistungsengpässen notwendig werde. Eine optimale Auslegung der Kühlstrecken sämtlicher Produktionslinien macht derartige Investitionen in vielen Fällen obsolet.

Weiteres Potenzial durch Hochtemperatur-Kühlung

In aktuellen Entwicklungsarbeiten wird die Kaskadierung der Kühlstrecke in einen Hochtemperatur- und einen Niedertemperatur-Bereich untersucht. Dabei wird dem Kunststoffrohr zunächst auf einem sehr hohen Temperaturniveau Wärme entzogen, so dass diese an das Kühlmittel übertragene Wärmeenergie an anderen Stellen im Produktionsprozess oder in Folgeeinrichtungen genutzt werden kann. In aktuellen Versuchsreihen konnte mit diesem Verfahren der Hochtemperaturkühlung (HTK) eine deutliche Effizienzsteigerung, bei gleichzeitiger positiver Beeinflussung der Produkteigenschaften erreicht werden.

Quellen:
[1] Mergl, Vilim: Effizienz von Kälteanlagen, Kälte Klima Aktuell, Ausgabe 03/210 – Technik.
[2] Wortberg, Saul, Kruppa: Im Zusammenhang betrachtet, Energieeffizienz in der Extrusion, Messung, Analyse und Bewertung der Anlagenenergieeffizienz, Plastverarbeiter 01/2010.
[3] Dzuban, Rüdiger: Abgeschaltete Kältemaschinen sind bares Geld für Kunden, Kunststoffverarbeitung Deutschland, 2008, S. 18-19, ONI Wärmetrafo GmbH.
[4] Haberstroh, E.: Analyse von Kühlstrecken in Extrusionsanlagen, Dissertation, RWTH Aachen, 1981.
[5] VDI-Gesellschaft Kunststofftechnik: Kühlen von Extrudaten, VDI-Verlag, 1978.
[6] VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik: VDI-Wärmeatlas, Springer Verlag, 2006.
[7] Domininghaus, H.: Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften, Hanser Verlag, 2004.
[8] Rehsler Kühlsysteme: Moderne Energiesparkonzepte zur Reduzierung des Treibhauseffektes und optimaler Nutzung unserer Primärressourcen, Unternehmenswebseite (www.rehsler.com).

 

Technik im Detail

Der EER-Wert

Der thermische Wirkungsgrad einer Kühl- oder Heizleistung bezogen auf die eingesetzte mechanische Arbeit wird als Leistungszahl oder Leistungsziffer bezeichnet. In der aktuellen Normung werden die englischen Bezeichnungen verwendet; für eine Kälteanlage wird der Begriff EER (energy efficiency ratio) und für Wärmepumpen COP (Coefficient of Performance) verwendet.
Quelle: Wikipedia

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Kenny Saul, Gregor Hiesgen