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Leimpumpen: Die elektromechanische Variante ist 12- bis 18-mal effizienter als die pneumatische.
Antriebe, Druckluft, Pumpen & Produktionsanlagen

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Wie kleine Potenziale große Wirkung entfalten

Text: Christoph Pohl, Christoph Schevalje, Moritz Stämmler und Jens Hesselbach, Universität Kassel Fotos: Christoph Pohl
Viele einfache Einsparmaßnahmen sind oft schon ausgeschöpft. Doch auch der Blick auf unscheinbare Energieverschwender kann sich lohnen. Das Beispiel Leimpumpe könnte Sie auf Ideen bringen.

Nahezu jedes Unternehmen, das mit Druckluft arbeitet, weiß um die schlechten Wirkungsgrade und damit verbundene geringe Energieausnutzung der Druckluft - egal, ob als Arbeitsluft oder Prozessluft. Mehr und mehr gehen die Unternehmen im Zuge der Erhöhung der Energieeffizienz über die üblichen Optimierungspotenziale der bestehenden Druckluftnetze hinaus.

Viele Unternehmen haben erkannt, dass sie im Zeitalter von Smart Grid, KWK und Co. mehr als nur die "üblichen" Maßnahmen durchführen müssen, um langfristig wirtschaftlich und konkurrenzfähig zu bleiben.

Häufig kommt daher die Elektromechanik als energieeffiziente Alternative zum Einsatz [1]. Vor allem bei klassischen Anwendungen wie Linearzylindern in Handling-Applikationen werden immer öfter elektromechanische Komponenten eingesetzt. Ein Austausch ist zugegebenermaßen nicht immer energetisch motiviert. Manchmal ist die Energieeinsparung ein eher beiläufiger, aber angenehmer Effekt, wenn beispielsweise an einer Dosiermaschine die Pneumatik aufgrund einer höheren Positioniergenauigkeit der Elektromechanik weichen muss. Neben solch typischen "Substitutionsanwendungen" können auch Anwendungen, die weniger im Fokus stehen, Effizienzverbesserungen- bewirken. Ein exotisches Beispiel sind pneumatische Leimpumpen, die als Teile von Etikettier-Maschinen eingesetzt werden.

Solche Kaltleimpumpen benötigen relativ hohe Kräfte, um mit dem viskosen Leim fertig zu werden. So sind die Zylinderdurchmesser meist sehr groß, was wiederum dazu führt, dass diese unscheinbaren pneumatischen Applikationen sehr viel Druckluft benötigen: bei einem Zylinderdurchmesser von 80 mm und 5,4 Millionen Zyklen pro Jahr etwa 18.000 m3.

Hinzu kommt, dass es in der Regel zahlreiche solcher Anwendungen im Unternehmen gibt. So wird das Verdränger-Prinzip zum Beispiel in Fettversorgungssystemen auch für Fettpumpen eingesetzt.

Gleiches Prinzip, aber mehr Effizienz

Die Abbildung oben zeigt schematisch den Förderprozess nach dem Verdrängerprinzip. Die Pumpe besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen: Zum einen aus einem Steigrohr, das im unteren Teil einen größeren Durchmesser besitzt, zum anderen aus einem zylindrischen Körper, in den das Steigrohr eingeführt ist. Hier das zum Funktionsprinzip:

– Sowohl das Rohr als auch der Zylinder besitzen nach unten jeweils eine kleine Öffnung, die im Ruhezustand durch Kera-mikkugeln verschlossen ist (1).

– Zieht man das Rohr aus dem Zylinder, bewegt der Unterdruck die untere Kugel nach oben und Leim strömt in den Zylinder (2).

– Die obere Kugel sorgt dafür, dass der Leim vom Steigrohr nicht in den Zylinder zurückfließen kann. Bewegt sich das Steigrohr anschließend nach unten, schließt die untere Kugel, während die obere Kugel öffnet, sodass der Leim in das Steigrohr strömt (3).

Dieses einfache Prinzip zur Förderung von viskosen Flüssigkeiten erfordert allerdings nicht zwangsweise einen pneumatischen Zylinder als Antrieb. Wie bereits aus vielen energetischen Vergleichen und Gegenüberstellungen bekannt ist, bringt der Ersatz der Pneumatik durch die Elektromechanik ganz erhebliche Einsparpotenziale mit sich - mehr als 90 Prozent [2].

Daher wurde ein elektromechanischer Funktionstyp einer solchen Pumpe aufgebaut. Um das eigentliche Prinzip zu erhalten, haben wir dafür Teile einer pneumatischen Pumpe verwendet. Lediglich der Pneumatik-zylinder und die Pneumatiksteuerung wurden entfernt. Ein elektromechanischer Antrieb ersetzt den Pneumatikzylinder.

12- bis 18-mal effizienter

Für den energetischen Vergleich der elektromechanischen und pneumatischen Variante wurde der elektrische Energie-bedarf beziehungsweise der Druckluftbedarf in Abhängigkeit des Leimvolumenstroms gemessen. Um beide Zahlen leichter vergleichen zu können, drücken wir den Bedarf an Druckluft als die für die Bereitstellung der Druckluft benötigte elektrische Energiemenge aus. Dazu wird eine Druckluftkennzahl von 130 Wh/m³ im Normzustand angenommen.

Die Abbildung Leimvolumenstrom auf Seite 70 zeigt die benötigte elektrische Leistung der elektromechanischen und pneumatischen Leimpumpe in Abhängigkeit vom Leimvolumenstrom. Bei gleichem Leimvolumenstrom ist die aufgenommene elektrische Leistung der pneumatischen Leimpumpe deutlich höher als die der elektromechanischen Alternative. Eine Absenkung des Betriebsdrucks von 8 bar auf 5 bar verringert zwar den Energiebedarf der pneumatischen Variante, dennoch liegt dieser noch deutlich über dem der elektromechanischen Variante.

Die Leimpumpen-Kennzahl gibt die für die Förderung eines Liters Leims notwendige elektrische Energie an und ist daher ein gutes Maß für die Energieintensität der Leimförderung. Sie liegt für die pneumatische Leimpumpe beim Betrieb mit 8 bar bei etwa 17,5 und bei 5 bar bei etwa 13 Wh/l. Bei verringertem Betriebsdruck sinkt die Energieintensität also. Es muss allerdings beachtet werden, ob die Viskosität des Leims eine Verringerung des Drucks zulässt. Je höher die Viskosität, umso mehr Kraft benötigt die Förderung.

Die Leimpumpen-Kennzahl der elektromechanischen Variante liegt bei 1 Wh/l für hohe Leimvolumenströme und 1,4 Wh/l für niedrige Leimvolumenströme. Bei dem zu erwartenden Betrieb kann also die elektromechanische Leimpumpe den gleichen Volumenstrom 11,5-mal beziehungsweise 17,5-mal so effizient fördern.

Substitution spart Geld und CO2

Würden in einem Beispielbetrieb mit 10 Etikettiermaschinen die druckluftbetriebenen Leimpumpen durch elektromechanische mit einer mittleren Gesamtleistungsaufnahme von 260 W ersetzt, so sinken die Betriebskosten von 2672 Euro in der Druckluftvariante auf 156 Euro bei Einsatz von elektromechanischen Pumpen.

Bei annähernd gleichen Investitionskosten haben sich die elektromechanischen Kaltleimpumpen schon ab dem ersten Hub amortisiert und emittieren statt 15,52 t CO2pro Jahr nur noch 0,87 t - eine Einsparung von 94 Prozent. Dieser Vergleich zeigt, dass auch die Substitution vermeintlich wenig potenzialbehafteter Anwendungen zur Energieeinsparung durchaus sinnvoll sein kann. Zur Realisierung der Energieeffizienzziele reicht es schon lange nicht mehr aus nur die "großen Früchte" zu ernten.

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