müssen Unternehmen mit eher hohen Lohn- und Betriebskosten kalkulieren. Daher ist es für deutsche Kunststoffverarbeiter schwierig, sich auf dem Weltmarkt mit dem Angebot von Massenware zu behaupten. Andere Verarbeiter nutzen dagegen den vorhandenen technologischen Vorsprung und das verfügbare Know-how, um Nischenmärkte zu bedienen, Spezialitäten anzubieten und durch einen ausgesprochen hohen Qualitätsanspruch erfolgreich am Markt zu be-stehen. Diese Entwicklung geht einher mit kleiner werdenden Losgrößen, weshalb die Herstellung extrudierter Kunststoffwaren wie zum Beispiel Rohre, Schläuche und Profile an einem Produktionsstandort aktuell von einer großen Produktvielfalt geprägt ist [1].

Nur selten wird auf einer Extrusionslinie ein einziges Produkt produziert. Vielmehr geht der Trend bei Neuanschaffungen von Produktionslinien und Werkzeugen dahin, ein möglichst großes Produktspektrum auf einer Linie produzieren zu können. Hierdurch sehen sich die Kunststoffverarbeiter mit diversen Problemstellungen konfrontiert. Lange Rüst- und Spülzeiten sowie eine aufwendige Material- und Versandlogistik führen zu immer höheren relativen Lohn- und Betriebskosten. Aber nicht nur der personelle und monetäre Aufwand werden größer. Auch die Komplexität der durch den Maschinenführer zu bewältigenden Aufgaben steigt. Dieser muss die Extrusionslinie produktspezifisch konfigurieren. Schneckendrehzahl, Metergewicht beziehungsweise Abzugsgeschwindigkeit, Zylinderzonen- und Werkzeugtemperaturen müssen ebenso eingestellt werden, wie eine normgerechte Dimension des Produkts. Insbesondere im Bereich der Kühlstrecke ist es möglich, dass die Temperaturen der einzelnen Kühlbäder oder Temperstrecken produktspezifisch angepasst oder diese gänzlich ausgeschaltet werden müssen. Die Anpassung der Temperatur ist dabei häufig nur über handgesteuerte Thermostatventile möglich.

Rüstaufwand gering halten

Um den Rüstaufwand an der Produktionslinie gering zu halten, ist es jedoch gängige Praxis, die Umwälzpumpen aller Kühltanks einzuschalten, die Thermostatventile der einzelnen Kühlbäder auf eine bestimmte (oft sehr niedrige) Temperatur einzustellen und diese Einstellung für alle auf einer Extrusionslinie produzierten Produkte beizubehalten. Dies funktioniert zwar prinzipiell, bringt aber dennoch verschiedene Nachteile gegenüber einer spezifischen Anpassung der Kühlstrecke mit sich.

Durch zu scharfes Abkühlen können sich in Abhängigkeit der Produktdimensionen Eigenspannungen ausbilden, die zu einem Verzug des Produktes (unmittelbar nach der Produktion oder erst bei Folgearbeiten wie z.B. dem Schweißen) oder Vakuolenausbildung führen. [2]

Oft werden die Umwälzpumpen sämtlicher vorhandener Kühltanks permanent betrieben, obwohl bereits eine geringere Anzahl an Kühltanks den notwendigen Kühleffekt realisieren könnte. Häufig werden Produkte auch bis unter die Umgebungstemperatur abgekühlt, was einen unnötig hohen Kühlwasser- und Energieeinsatz zur Folge hat. Oder die Kältemaschine eines Produktionsstandortes produziert Kühlwasser bei niedrigen Temperaturen, die in diesem Ausmaß möglicherweise gar nicht benötigt werden. Dies führt zu unnötig hohen Energiekosten.

Den Extrusionsprozess abbilden

Die SHS Plus beschäftigt sich mit der Effizienzsteigerung bei der Kunststoffverarbeitung. Dies betrifft sowohl die Betrachtung der energetischen Situation, wie auch die Analyse von Produktqualitätseigenschaften, die aus dem Herstellungsprozess resultieren. Die Software Chillware ermöglicht es, Extrusionsprozesse virtuell abzubilden, den Abkühlvorgang und die energetische Gesamtsituation zu bewerten, die aus dem Herstellungsprozess resultierenden Eigenspannungen zu berechnen und virtuell Prozessparameter zu variieren[3]. Mithilfe dieser Software ist es möglich, für jedes Produkt die optimale Temperaturführung einer Kühlstrecke zu berechnen, um beispielsweise eine minimale Ausbildung von Eigenspannungen im Produkt oder einen möglichst geringen Energieeinsatz bei der Kühlung zu realisieren. Um das Ergebnis umzusetzen, muss die Kühlstrecke produktspezifisch eingestellt werden.

In der Praxis ist die Schwierigkeit gegeben, die berechneten Temperaturführungen vor Produktionsbeginn an den Handthermostaten der einzelnen Kühlstreckenelemente einzustellen. Dies ist sehr zeitaufwändig und wird daher von den Produktionsmitarbeitern oft vernachlässigt. Insbesondere kann an vielen Handthermostaten keine genaue Temperatur eingestellt werden, sondern lediglich nach eigenem Ermessen die Soll-Temperatur qualitativ erhöht oder verringert werden, bis die gewünschte Temperatur im Tank erreicht ist.

Zunächst wird mit der Software für jedes auf einer Linie produzierte Produkt eine optimale Temperaturführung berechnet. Neben den Temperaturen der Kühlmedien der einzelnen Kühltanks und gegebenenfalls Temperstrecken wird ebenso die Möglichkeit untersucht, einzelne Kühlbäder gänzlich abzuschalten, sofern deren Kälteleistung nicht erforderlich ist. Da jeder Sprühkühltank in der Regel mit Umwälzpumpen mit einer Leistung zwischen 4 kW und 6 kW ausgestattet ist, können hier schnell und effektiv große Energieeinsparungen realisiert werden. Die für jedes Produkt berechnete Kühlstreckenkonfiguration wird exportiert und in die Steuerung von Autochill eingelesen.

Automation der Kühlstrecke

Weiterhin wird die Hardware für einen automatisierten Kühlstreckenbetrieb vorbereitet. Die manuellen Thermostatventile der Kühltanks werden durch Magnetventile ersetzt, die in Abhängigkeit der Soll-Temperatur und der aktuellen Tanktemperatur geregelt werden. Um einzelne Kühltanks gezielt zu steuern, wird die Elektronik der Umwälzpumpen so modifiziert, dass eine Ansteuerung über das Autochill-Modul möglich ist.

Nach der Installation des Moduls muss der Maschinenführer bei Produktionsbeginn lediglich das zu produzierende Produkt am Bedienterminal auswählen. Daraufhin werden alle benötigten Kühltanks eingeschaltet und die entsprechenden Soll-Temperaturen an den Kühltanks automatisch eingestellt. Der Maschinenführer wird so im betrieblichen Alltag erheblich entlastet, die Betriebskosten werden durch die Abschaltung einzelner Kühltanks gesenkt und die Produktqualität durch eine optimale Temperaturführung der Kühlstrecke gesteigert.

Am Beispiel berechnet

Weitere erhebliche Einsparungen sind möglich, wenn nicht nur einzelne Linien, sondern eine gesamte Produktion mit der Technologie ausgestattet wird. Durch die intelligente Vernetzung aller Produktionslinien kann die aktuell notwendige minimale Kühlwassertemperatur an allen Extrusionslinien ermittelt werden. Dieser Wert wird als Soll-Wert an die Kompressionskältemaschine übergeben. Häufig wird an Produktionsstätten Kühlwasser auf einem Temperaturlevel von 14° C oder darunter bereitgestellt.

Wird dieser Wert um nur ein Grad erhöht, wird der Kompressor der Kompressionskältemaschine um circa vier Prozent entlastet, was erhebliche Einsparungen an Energiekosten bedeutet[4]. In vielen Fällen konnte nachgewiesen werden, dass für eine gesamte Produktionsstätte eine Kühlwassertemperatur von 18° C oder mehr ausreichend ist, wodurch weiterhin unterjährig ein erhebliches Freikühlungspotenzial entsteht. Bei modernen Kältemaschinen eignet sich die Steueungs-Technologie besonders, da hier bereits eine Winterentlastung vorgesehen ist und die erhöhte Kühlwassertemperatur automatisch dazu führt, dass das Freikühlungspotenzial ausgenutzt wird.

Auf Basis der Klimadaten der Stadt Köln sowie unter der Annahme, dass eine mit Winterentlastung ausgestattete Kompressionskältemaschine verfügbar ist, wird im Folgenden eine Berechnung für die Betriebskostenersparnis durch den Einsatz der Technologie durchgeführt. Die Anlage kann somit sowohl teilweise als auch gänzlich auf Freikühlung umschalten. Bei dem betrachteten Prozess werden für 5.000 h/a durchschnittlich 300 kW (thermisch) Kühlleistung benötigt. Die Kompressionskältemaschine arbeitet im Nennbetriebspunkt mit einem EER von 3,5. Im Referenzprozess wird, wie in der Praxis häufig vorzufinden, Kühlwasser mit einer Temperatur von 14° C bereitgestellt.

Hierbei ist über das Jahr gesehen mit einem Freikühlungspotenzial von 48 Prozent zu rechnen, währenddessen die Kältebereitstellung mit einem EER von 40 möglich ist. Eine Anhebung des Temperaturniveaus auf 18° C erhöht das Freikühlungspotenzial auf 66 Prozent und entlastet den Kompressor der Kältemaschine. Pro Jahr ist bei einem Strompreis von 0,14 €/kWh mit einer Einsparung von gut 13.300 EUR gegenüber dem Referenzprozess zu rechnen. Hinzu kommen die Einsparungen durch die Abschaltung einzelner Tanks und Umwälzpumpen. Hierbei ist unter der Annahme einer elektrischen Leistungsaufnahme der Umwälzpumpen von 5 kW pro abgeschaltetem Tank mit einer jährlichen Einsparung von 3.500 EUR zu rechnen.

Die Berechnung für eine typische Produktionsstätte der Kunststoffverarbeitung zeigt, dass durch verhältnismäßig geringe Umstrukturierungs- und Investitionsmaßnahmen erhebliche Betriebskosteneinsparungen realisiert werden können. Die SHS Plus GmbH steht Ihnen gerne zur Verfügung, um Produktionsprozesse zu analysieren und das Einsparpotenzial für Ihren spezifischen Anwendungsfall zu ermitteln. So kommentiert auch der verfahrenstechnische Leiter der Hans Weber Maschinenfabrik in Kronach, Christian Stützinger, die Technologie mit den Worten: „SHS Plus setzt damit an einem Punkt an, der bislang vernachlässigt wurde und großes Potenzial birgt. Wir sind aktuell dabei, die Autochill-Technologie in die Extrudersteuerung der Weber Maschinen zu integrieren.“

[1] Studener, W.; Kreth, N.: Extrusionstechnik der Zukunft, Fachzeitschrift Kunststoffe (Ausgabe 01/2000)
[2] Bessemer, B.: Cooling extruded pipe, Interview in der Fachzeitschrift „Plastics in Canada“, Toronto (2008)
[3] Weiß, P.: Einflüsse einer Kühlprozessänderung auf den Energiebedarf und die qualitativen Produkteigenschaften bei der Extrusion, 10
Duisburger Extrusionstagung, Duisburg (2013)
[4] Ritter, T.: Kälte – Erzeugung und Verteilung am Standort Rothenbaum, Vortrag beim 8. Netzwerktreffen Kälteeffizienz, Hamburg (2010)

Autor

Über den Autor

Dr.-Ing. Martin Spitz, Dr.-Ing. Gregor Hiesgen, Dr.-Ing. Kenny Saul sind Geschäftsführer bei SHS Plus, Kronach, spitz@shs-plus.de, M. Sc. Patrick Weiss ist Mitarbeiter bei SHS Plus.