Pure Passion –
HF MIXING GROUP.

Die energetisch ideale Mischerlinie

Um die Prozesskosten ihrer Kunden zu senken, arbeitet die HF MIXING GROUP an der hocheffizienten Mischerlinie. Dabei steht jedes Aggregat auf dem Prüfstand.

Die Steigerung der Energieeffizienz ist nicht nur für unsere Kunden ein großes Thema. Auch wir bei der HF MIXING GROUP stellen fortlaufend unsere Produktion und unsere Prozesse auf den Effizienzprüfstand. Seit Anfang 2015 führen wir ein systematisches Energie- und Umwelt­management nach DIN 50001 und DIN 14001. Als Maschinenbauer, in dessen Marken-DNA das Thema Nachhaltigkeit fest verankert ist, unterstützen wir selbstverständlich die Blue-Competence-Initiative des VDMA und werden uns ums das RAL-Gütezeichen „Effiziente Energienutzung im verarbeitenden Gewerbe“ bemühen, sobald dieses etabliert ist. Anders als die vorhandenen Zertifizierungen bewertet das RAL-Gütezeichen nicht nur die Energieeffizienz der Prozesse, sondern auch die der einzelnen Produkte.

Was wir aber vor allem tun, ist das, was wir schon immer getan haben: unsere Kunden in ihren Vorhaben bestmöglich unterstützen. In Bezug auf die Energieeffizienz bedeutet dies konkret, dass wir auf Hochtouren daran arbeiten, alle Aggregate einer Mischerlinie hinsichtlich ihrer Energieeffizienz zu optimieren. Unser Ziel ist es, Mischer zu bauen, die einen geringen Energieverbrauch mit einem hohen Wirkungsgrad verbinden. Und daran arbeiten wir nicht erst seit gestern.

Effizienzfaktor Antrieb

So haben wir in Bezug auf den Antrieb schon viel erreicht. Da der Antrieb des Mischers den Gesamtenergiebedarf des Mischprozesses sehr stark dominiert, bestimmt er mit seinem Wirkungsgrad maßgeblich die Energieeinsparpotenziale an einer Mischerlinie. Während früher der Gleichstromantrieb (DC) der Standard für Mischerlinien war, haben wir im letzten Jahrzehnt unsere Mischer mit modernen Drehstromantrieben (AC) ausgestattet. In Kombination mit Frequenzumrichtern weisen diese für die spezifischen Anforderungen im Mischsaal einen wesentlich günstigeren Wirkungsgradverlauf auf. Denn beim Mischen werden nur für einen kurzen Zeitraum sehr hohe Leistungen benötigt, während über lange Phasen des Prozesses nur geringe Leistungen vom Motor abgefordert werden. Im Teillastbetrieb arbeitet der AC-Motor deutlich energieeffizienter als sein älterer Bruder. Im Mittel kann bei dem Austausch Gleichstrom gegen Drehstrom von einem Wirkungsgradzuwachs von 20 Prozent ausgegangen werden. Die Auswirkung auf den Energieverbrauch ist beträchtlich:

Während ein 320-Liter-Innenmischer mit DC-Motor in der Reifenindustrie, der einen Durchsatz von 3 t/h leistet, bei angenommenen 6.000 Betriebsstunden jährlich 2,6 Mio. kWh benötigt, kann der Energieverbrauch bei einem mit AC-Motor ausgestatteten Innenmischer aufgrund des Wirkungsgradzuwachses um 650.000 kWh reduziert werden. In Euro ausgedrückt, verringern sich die Betriebs­kosten für den Antrieb – bei einem Strompreis von 14 Cent/kWh und einer Durchschnittsleistung von 900 kW – um 90.000 Euro!

Um weitere Effizienzsteigerungen zu erreichen, haben wir modulare Antriebssysteme untersucht. Diese arbeiten – je nach Größe des Innenmischers – mit vier bis sechs Motoren, welche über ein Spezialgetriebe die Mischerrotoren antreiben. Da die Antriebe von Innen­mischern in vielen Mischphasen im Teillastbereich betrieben werden, arbeiten sie oft weit entfernt vom optimalen Nennbetriebspunkt und entsprechend mit ungünstigen Wirkungsgraden. Dieser Problematik wirken die zusätz­lichen Motoren entgegen: Durch deren Ab- und Zuschaltung wird gewährleistet, dass die Motoren im optimalen Wirkungsgradbereich betrieben werden. Dies optimiert den Wirkungsgrad des Antriebs um weitere fünf Prozent. Auf den oben definierten 320-Liter-Mischer bezogen, würde diese Wirkungsgradverbesserung eine weitere Einsparung von etwa 16.000 Euro pro Jahr bedeuten.

Einsparpotenzial Stempel

Aber nicht nur am Hauptantrieb lassen sich Einsparungen erzielen. Auch in allen anderen Aggregaten schlummert energetisches Optimierungspotenzial. Zum Beispiel im Stempel. Seit circa 15 Jahren verdrängen hydraulische Stempeldruckeinrichtungen zunehmend die in der Vergangenheit weit verbreiteten pneumatischen Systeme. Sie sind nicht nur geräuschärmer, sondern ermöglichen auch eine wesentlich schnellere Stempelbewegung bei gleichzeitig präziser und sicherer Positionssteuerung. So gewährleisten sie konstante Prozessbedingungen, während der pneumatisch betriebene Stempel aufgrund des variierenden Druckniveaus Streuungen in der Mischungsqualität hervorrufen kann.

Vergleicht man zunächst die Energie- und damit Kostenaufwendungen beider Systeme miteinander, liegt der hydraulische Stempel klar vorne. Der Betrieb eines IM-320E-Mischers mit hydraulischem Stempel weist bei identischer Betriebsstundenanzahl um bis zu 70 Prozent verringerte Betriebskosten auf – ein beacht­liches Einsparpotenzial. Ein 320-Liter-Innenmischer mit hydraulischem Stempel benötigt jährlich eine halbe Million Kilowattstunden weniger als ein mit pneu­matischem Stempel ausgestatteter Innenmischer. In Euro ausgedrückt, verringern sich die Betriebskosten für den Stempel – bei einem Strompreis von 14 Cent/kWh – um 70.000 Euro!

Der Einsatz hydraulischer Beschickungen bietet jedoch viele weitere Vorteile. Mit iRAM, der intelligenten Stempelregelung, bekommen Verfahrenstechniker und Ingenieure ein neues und interessantes Werkzeug zur Prozessoptimierung an die Hand. Wurde früher nur pneumatisch auf und ab gefahren, so lassen sich mit iRAM zuvor definierte Wege abfahren. Mit dieser und vielen anderen interessanten Funktionen können unterschiedlichste verfahrenstechnische Reserven gehoben werden. Vielfältige praktische Erfahrungen zeigen, dass durch die Stempelwegregelung Reinigungsschritte eingespart und Zeiten für Lüftschritte reduziert werden können. Das Resultat: Mischzeitverkürzungen von bis zu 25 Prozent. Auch hierdurch sind erhebliche Energie­mengen einsparbar. Hydraulische Beschickungseinrichtungen und iRAM bieten neben den beschriebenen Energieeinsparpotenzialen eine Vielzahl weiterer interessanter Möglichkeiten. Stempel ist eben nicht gleich Stempel.

Einfluss der Temperieraggregate

Blickt man in das Umfeld des Innenmischers, so sieht man, dass auch Temperiergeräte weiter energieeffizient ausgeführt werden können. Unter den Betriebsbedingungen des Mischprozesses, der durch sich ständig ändernden Bedarf gekennzeichnet ist, erreichen die Pumpen der Temperieraggregate nur sehr selten ihren optimalen Betriebspunkt. Dies bedeutet, dass die Pumpe bei ungeregelter Drehzahl während des Temperierbetriebs immer mit vollem Volumenstrom und dementsprechend mit voller Leistung fährt, obwohl nur ein Teil des Volumenstroms benötigt wird. Ohne eine bedarfsabhängige Leistungsanpassung bedeutet dies einen unnötig hohen Verbrauch an Antriebsenergie und damit auch höhere Betriebskosten.

Durch den Einsatz von frequenzgeregelten Pumpen kann die Kühlung dem Prozess angepasst und können so weitere Energieeinsparungen erzielt werden. Tests auf der Anlage im HF-Technikum haben gezeigt, dass sich durch die Drehzahlregelung der Temperierungseinheiten die Pumpen­leistung der drei TCU-Einheiten Rotor/Mischkammer/Stempel um 50 bis 75 Prozent redu­zieren lässt. In Energiekosten ausgedrückt, sind das circa 8.000 Euro im Jahr.

Außerdem liegt in einer gezielten Auslegung der Temperieraggregate ein erhebliches Einsparpotenzial. Hierzu muss sowohl die Kennlinie des zu temperierenden Mischerbauteils (d. h. Druckverlust als Funktion des Durchflusses) als auch diejenige des Temperiergerätes (Durchfluss als Funktion des zu überwindenden Gegendrucks) bekannt sein. Erst bei einer ganzheitlichen Betrachtung beider Zusammenhänge können nun Pumpen für jeden Temperierkreislauf ausgewählt werden. Durch eine solche individuelle Betrachtung der Mischerkreisläufe kann die Pumpenleistung in einem Kreislauf von vornherein um bis zu 30 Prozent reduziert werden.

Dank intensiver Untersuchungen an Temperiergeräten mit herkömmlichen Temperaturreglern konnte die HF-Automation eine eigene Regler-Hardware und -Software entwickeln, welche eine deutliche Verbesserung in der Energieaufnahme zeigt. Entscheidend war auch hier die Kenntnis des Zusammenwirkens von Mischerbau­teilen und dem Temperiergerät. Erst nach Analyse des gesamten Streckenverhaltens konnten stabile Regel­algorithmen entwickelt werden, während konventionelle Temperiergeräte oft um den Arbeitspunkt schwangen. Die neuen HF-TCU-Controller ermöglichen auch die direkte Regelung der Temperatur der Mischkammern und nicht nur der Wasser-Vorlauftemperatur. Sie sind bereits in der neusten Generation von Temperiergeräten im Einsatz.

Doppelschneckenextruder

Bei den Nachfolgeaggregaten des Innenmischers im Unterland werden die installierten Antriebe ebenfalls betrachtet. Auch bei diesen Maschinen sind erhebliche Antriebsleistungen – beispielsweise von bis zu 300 kW bei einem Convex™ 12 – installiert. Oftmals sind auch hier noch alte Antriebskonzepte wie Gleichstrom- oder Hydraulikantriebe im Einsatz, welche in Bezug auf Effizienz in der Regel noch erhebliche Optimierungspotenziale bieten.

Umfangreiche Vergleichstests im Feld haben aufgezeigt, dass die Schneckengeometrie der Doppelschneckenextruder einen erheblichen Einfluss auf deren Betriebsverhalten hat. Generell führt die Konizität des Schneckendurchmessers zu einer wesentlich höheren Förderleis­tung im Einzugs- gegenüber dem Austragsbereich der Schnecken. Die Mischung wird daher in erheblichem Maße „im Kreis“ (oder Rückstrom) vom vorderen zum hinteren Extruderbereich gefördert. Bei günstiger Schneckengestaltung kann der Anteil dieser (für die Funktion der Maschine) unnötigen Rückströmung erheblich vermindert und der Energieverbrauch des Schnecken­antriebs um bis zu 33 Prozent gesenkt werden.

Einsparpotenzial Staubabdichtung

Der Bereich der Staubabdichtungen eines Innenmischers bietet nicht nur im Hinblick auf Energieeffizienz interessante Einsparpotenziale. Die lastabhängige Regelung der Anpresskräfte von Staubabdichtungen bringt viele weitere Vorteile mit sich. Hier bietet die HF MIXING GROUP mit der in den letzten Jahren entwickelten Regelung „iXseal“ ein zukunfts­weisendes Konzept an, welches auf folgende Optimierungspotenziale abzielt:

  • Reduzierung von Schmierölverbräuchen
  • Minimierung von Recyclingkosten
  • Verlängerung der Standzeiten von Staubabdichtungen
  • Entlastung des Hauptantriebes

Doch wie werden diese Verbesserungen im Bereich der Staubabdichtung erreicht? Umfangreiche Untersuchungen bei HF haben gezeigt, dass die Ringe der Staubabdichtung nicht in allen Prozessphasen mit vollem Druck gegeneinander gepresst werden müssen – wie das heute der Fall ist. Diese intelligente Verringerung der hydrau­lischen Anpresskräfte ermöglicht außerdem die automatische Reduzierung der Schmierölzufuhr zwischen die Ringe der Abdichtung. Durch diese zeitweise Abschaltung der Schmierölzufuhr können erhebliche Mengen an Öl eingespart werden.

Ein Teil der für den Betrieb benötigten Schmieröle findet nicht den Weg in die Mischkammer. Die austretenden Öle müssen aufgefangen und recycelt werden. Die hier entstehenden Kosten übertreffen den Preis für den Kauf der jeweiligen Öle oftmals um ein Vielfaches. Die beschriebene Reduzierung der Öle minimiert daher auch die Recycling-Aufwendungen und gestaltet den Betrieb von Mischern umweltfreundlicher.

„iXseal“ reduziert die – wie oben beschrieben – mittlere Flächenpressung zwischen rotierendem und feststehendem Ring. Dies wirkt sich positiv auf die Standzeiten der Abdichtung aus. Stillstandzeiten sowie die Häufigkeit von Wartungsintervallen werden auf ein Minimum reduziert. Die Abdichtungen eines Innenmischers sind bei vereinfachter Betrachtung mit vier Scheibenbremsen vergleichbar. Sind sie dauerhaft mit hohen Anpresskräften belastet, wirkt sich dieser Umstand auf die Leistungsaufnahme des Hauptantriebes aus. Die intelligente Reduzierung entlastet die Abdichtungen und damit den Antrieb der Rotoren.

Unser Fazit: Durch eine ganzheitliche Betrachtung des Mischprozesses sind hohe Einsparpotenziale erschließbar. Eine umfassende Automatisierung des Gesamtsystems Mischerlinie kann darüber hinaus noch weitere Ineffizienzen beseitigen. Lastspitzen, die entstehen, wenn an mehreren Linien besonders leistungsintensive Mischungen gleichzeitig gefahren werden, können mit einem intelligenten Planungsalgorithmus schon im Vorfeld vermieden werden. Weitere Potenziale zur Energieeinsparung eröffnen sich den Mischsaalbetreibern, wenn eine umfassende Erfassung und Dokumentation der Energieverbräuche aller Aggregate im Mischsaal im zentralen Automatisierungssystem erfolgt. Dieser Weg wird von der HF MIXING GROUP konsequent weiterverfolgt.

DKG
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Institut für Kunststoffverarbeitung
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