Kälte trocknet besser

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1 Wasserlacktrocknung Kälte trocknet besser Wärme muß her, wenn etwas trocknen soll. Das ist eine altbekannte Weisheit. Aber Energie wird immer teurer und erzeugt nebenher noch Umweltschadstoffe, so daß es sich lohnt, darüber nachzudenken, ob es auch anders geht. Für Wasserlacke hat man eine verblüffend einfache Lösung gefunden, die zunächst einmal völlig absurd aussieht Das Rauf und Runter der Temperatur Der Energieverbrauch bei der Lackierung ist schon seit langem ein Dorn im Auge. Schon der erste Forschungsbericht des IPA in Zusammenarbeit mit der DFO zeigte deutlich, daß durch das mehrfache Aufheizen und Abkühlen einer Automobilkarosse im Lackierprozeß enorme Energiemengen benötigt werden, von denen nur ein Bruchteil für die eigentliche Verfahrensnotwendigkeit zur Verfügung steht. Bei jedem anderen Lackierprozeß ist das nicht anders. Nun ist aber gleichmäßige Wärme unbedingt notwendig, wenn es darum geht, eine konventionelle Lackformulierung zu trocknen, ohne Blasen- und Porenbildung zu vernetzen und schließlich auszuhärten. Ganz anders sind die Situationen heute bei der Verarbeitung von Wasserlacken oder weiter gespannt überall dort, wo es darum geht, Wasser zu entfernen. Ein Funktionsvergleich Die herkömmliche Situation bei der Warmlufttrocknung sieht doch folgendermaßen aus: Luft wird mit einer Temperatur von 15 C angesaugt und enthält dabei eine Wassermenge von etwa 10 g bei einer relativen Feuchte von 90 %. Um weitere Wasseraufnahme überhaupt zu ermöglichen, wird diese Luft auf 65 C erwärmt, liegt dann in ihrem relativen Feuchtegehalt unter 10 % und kann dann bis zu 80 % relativer Feuchte zusätzlich noch 14 g Wasser pro m 3 aufnehmen (s. rechte Darstellung im Hx-Diagramm, Abb. 1). Bei der Kältetrocknung sieht die Situation völlig anders aus. Eine in Umluft gefahrene Luft mit einer Temperatur von 40 C und einer relativen Feuchte von etwa 15 % entsprechend einem Wassergehalt von 8 g/m 3 wird auf 15 C abgekühlt, dabei wird der Wassergehalt bis auf 1 g/m 3 ausgefroren. Im Anschluß daran erwärmt man von 15 C auf + 55 C und hat hier wieder die Möglichkeit, rund 7 g Wasser pro m 3 aufzunehmen (s. Diagrammdarstellung links im Hx- Diagramm). Helmut Bauer vom Ingenieurbüro Bauer in Weisbach hat dieses Phänomen einmal energetisch am Beispiel eines Haftwassertrockners untersucht und kam zu dem Ergebnis, daß sich die Energiemengen bei der Heißtrocknung und der Kältetrocknung sich im Verhältnis 10 : 1 gestalten. Das hat unterschiedliche Gründe. Zum einen muß bei der Heißtrocknung mit Abluft gefahren werden, um die gesättigte Luft über Dach abzuführen. Dabei wird gleichzeitig ein großer Teil ungesättigter Abluft mit vernichtet. Zusätzlich treten erhebliche Wärmeverluste an den Oberflächen der Anlage, an den Werkstücken, an den Schleusen und den Fördereinrichtungen auf. Dies Abb. 1: Hx-Diagramm mit Beispiel thermischer Trocknung (rechts) und Kältetrocknung (links)

2 alles ist bei der Kältetrocknung nicht notwendig. Hier wird der Hauptteil der Energie in Höhe von 67 % für die Spülwassererwärmung verwendet (Abb.2). Abb. 2: Energetischer Vergleich der Heißtrocknung und Kältetrocknung Abb. 3: Adolf Brockmann und sein Team tragen die einzelnen Bausteine neuester Lackiertechnik zu innovativer Anlagentechnik zusammen Von der Theorie zur Praxis Was theoretisch einleuchtet, muß nicht auch zwangsläufig praktisch funktionieren, und bis es praktisch funktioniert, sind meist eine Reihe von Hürden zu überwinden. Auf der Basis der theoretischen Erkenntnisse und der ersten praktischen Erfahrungen, die die Firma Grundfos gesammelt hatte, ging man daran, beim Ingenieurbüro Brockmann in Achim bei Bremen nach realen praktischen Einsätzen zu suchen (Abb. 3). Eine erste Möglichkeit bot sich bei der Becker Group Europe GmbH in Lüneburg, der früheren Deutschen Fibrit. Hier werden Kunststoffteile für die Automobilindustrie mit Folie kaschiert und dazu wäßrige Klebstoffsysteme eingesetzt. Die Trocknung des Klebers erfolgte in der Vergangenheit mit Wärme von 60 C, womit man schon nah an der Aktivierungstemperatur des Klebers für die spätere Kaschierung liegt und daraus entsprechende Schwierigkeiten resultieren. Hinzu kam aber noch ein anderes Problem: der Kleber schließt relativ schnell in seiner Oberfläche ab, wenn mit Wärmetrocknung gearbeitet wird, so daß die restliche darin enthaltene Wassermenge praktisch unter dieser Haut eingeschlossen wird. Störungen in der Klebverbindung sind damit zwangsläufig. Bei der Kältetrocknung, die bei der Becker-Gruppe in Lüneburg jetzt von der AB-Gruppe in Achim installiert wurde, entfeuchtet das Hygrex-Kälteaggregat (Abb. 4) die Luft auf 1 bis 4 g/m 3 und ermöglicht so bei einer Umluftmenge von 2500 m 3 stündlich einen Wasserentzug von 5 bis 8 kg. Dabei wird eine Anströmgeschwindigkeit von 2 bis 3 m/s benötigt, um für eine effektive Kältetrocknung zu sorgen (Abb. 5). Die installierte Heizleistung, abgesehen von dem Ventilatorenstrom, liegt bei 1 kw pro kg Wasser und Stunde. Bezogen auf das Beispiel der Becker-Group reichen also 10 kw Installationsleistung aus, um für einen effektiven Wasserentzug des Klebstoffilms zu sorgen. Dabei kommt es zu keinerlei Erwärmung der Materialien, die über 30 oder 35 C liegt, so daß erstens nicht durch vorschnelle Hautbildung eine Entfernung des Wassers schwerer möglich wird und zweitens eine Vorreaktion vor der Aktivierung des Klebers vermieden wird. In Lüneburg ging man äußerst skeptisch an diese neue Technik heran, verständlicherweise, denn zunächst einmal klingt es unlogisch, mit Kälte zu trocknen. Als man sich dann aber von der Funktionsfähigkeit des Materials überzeugt hatte und als der Klebstofflieferant eine einwandfreie Trocknung in einer wesentlich kürzeren Zeit attestierte, gab es keine Überlegungen mehr, und die Investition wurde getätigt. Zwar liegt die Investition für das reine Kälteaggregat, bezogen auf einen Brenner mit entsprechender Ventilatorenleistung, bei der Heißtrocknung höher, Kosten werden aber schon dadurch wieder eingespart, daß der eigentliche Trocknungstunnel (Abb. 6) weder Schleusen benötigt noch in A-Form gebaut werden muß oder daß man auch wegen der niedrigen Temperatur auf Isolierung des Kanals völlig verzichten kann. Das Ergebnis unter dem Strich lautet ungefähr: 9 /10 der bisherigen Energie eingespart und den Trocknungsprozeß um einige Meter verkürzt. Daneben zusätzliche Sicherheit bei der Verarbeitung Abb. 4: Der Hygrex-Kältetrockner vereinigt bei kleinster Bauweise den Kühlbereich und den Kondensatorbereich zur Lufterwärmung, die über Wärmepumpe des Materials gewonnen, so daß Fehlchargen durch zu früh reagierten Kleber praktisch ausgeschlossen sind. Bei dieser Gelegenheit hat man in Lüneburg auch noch in neueste Spritzkabinentechnik investiert I-Lack4/ Jahrgang Wasserlacktrocknung

3 Anströmgeschwindigkeit 2 3 m/s Wasserlacktrocknung Abb. 5: Hier das Prinzip der Lacktrocknung im Gegenstrom mit trockener Luft. Die Teile wandern durch den einfachen Blechtunnel von links nach rechts, die Luft strömt im Gegenstrom von rechts nach links, zunächst als entfeuchtete Luft, die dann am linken Auslauf praktisch wieder gesättigt ist, dann folgt der Durchlauf durch den Kältetrockner mit Ausfrieren der Feuchte bei 15 C, die anschließende Erwärmung im Kondensator und das Zurückblasen der Umluft auf der rechten Seite. Der Verdampfer zur Entfeuchtung muß periodisch enteist werden. Dazu sind zwei Verdampferelemente hintereinandergeschaltet (Abb. 7 9). Die AB-Wibo-Kabine mit Teflonbeschichtung und Zyklonrückgewinnung für den Over-spray sorgt nicht nur für festen Abfall und leichte Reinigung (Reinigungszeit 1 /4 Std.), die Abluft kann außerdem in die Halle zurückgeführt werden (TÜV-genehmigt). Feuchte Prozeßluft 8 10 g/m C Verdampfer zur Entfeuchtung mit Kompressor Wärmepumpe Trockene Luft ϑ = C ϕ = 1 4 g/m 3 Kondensator zur Erwärmung der luft Wasserablauf nach Enteisung des Verdampfers Ein interessantes Feld Wasserlacktrocknung auf Holz Derzeit im Aufbau ebenfalls durch die AB Anlagentechnik in Achim befindet sich eine Trocknungsanlage für die Holzfensterlackierung bei der Schröder GmbH in Brakel (Abb. 10 und 11). Jürgen Schröder, der diese Anlage betreibt und erste Erfahrungen und Optimierungen damit gesammelt hat, ist ebenso begeistert, wie es die entsprechenden Anbieter von Wasserlacksystemen für den Fensterbereich sind. Der große Durchbruch der Wasserlacke scheiterte bisher immer noch an der Tatsache, daß diese Abb. 6: Hier sieht man den Kältetrocknungstunnel bei der Becker Group Europe GmbH in Lüneburg in der realen Darstellung Abb. 7 G, 8 und 9: Die Applikation des Klebstoffes geschieht in einer AB- Wibo-Kabine, die hinter der Absaugung über entsprechende Zyklonabscheider verfügt und einen Absolutfilter, mit dem die Luft wieder in den Raum geleitet werden kann. Solche Türenseitenteile, wie in Abb. 9 zu sehen, werden in Lüneburg produziert 8 9

4 Abb. 10 und 11: Um die hohe Luftgeschwindigkeit zum Anströmen zu erreichen, ist beim Unternehmen Schröder der Tunnel mit zusätzlichen Kleinventilatoren am Boden ausgestattet. Auch hier ist der Kältetrockner nicht wesentlich größer Lacksysteme bei allen umwelttechnischen Vorteilen auch Nachteile beinhalten, die hauptsächlich aus der Trocknung resultieren. So ist die relative Feuchte in der Umgebungsluft bekanntermaßen abhängig davon, ob Sommer oder Winter ist, und bei einer hohen relativen Feuchte im Sommer ist es oft problematisch, überhaupt noch durch Erwärmung die zusätzliche schnelle Trocknung des Wasserlackes zu erreichen. Durch den Kältetrockner wird mit einer konstanten Beladung von 1 bis 4 g Wasser pro m 3 Luft gefahren, so daß unabhängig von der Jahreszeit eine entsprechende Aufnahmefähigkeit der getrockneten Luft garantiert ist. Bei Schröder wurde früher in der Halle getrocknet, wobei über Nacht eine entsprechende Beheizung notwendig war. Zwei bis drei Stunden und länger waren notwendig, um von einem Arbeitsgang auf den nächsten weiterarbeiten zu können. In dieser Zeit hatte der Wasserlack intensiven Kontakt mit dem Holz, wodurch sich die Holzfasern stark aufrichteten und ein entsprechend hoher Schleifaufwand für den Zwischenschliff resultierte. Bei der Kältetrocknung, das hat Jürgen Schröder schon herausgefunden, kommt er mit der Trocknung in einer halben Stunde aus, das Wasser wirkt weniger intensiv auf den Holzuntergrund, die Fasern richten sich nicht so stark auf, und der Schleifaufwand reduziert sich entsprechend. Auch durch die niedrige Werkstücktemperatur ist das Schleifen weniger problematisch, denn das thermoplastische Acrylatharzmaterial verklebt sonst leicht das Schleifmedium, wenn bei erhöhter Temperatur geschliffen werden muß. Aber Jürgen Schröder hat noch etwas anderes festgestellt, und neben ihm auch die entsprechenden Lackfabriken, die solche Materialien liefern: Die Tiefentrocknung ist bei der Kältetrocknung wesentlich besser als bei der Trocknung mit warmer Luft. Auch hier tritt wieder der gleiche Effekt ein, wie er schon bei der Becker-Group in Lüneburg festgestellt wurde, warme Luft schließt zunächst einmal den Film oben ab, und das weitere Abdunsten der Restwassermengen wird dann entsprechend langwieriger. Bei der Firma Sikkens in Garbsen hat man das einmal systematisch untersucht und festgestellt, daß die Kältetrocknung zwei- bis dreimal schneller als konventionelles diathermes Trocknen durch Temperaturerhöhung vonstatten geht. Außerdem entfallen auch hier natürlich die Energieverluste, die sonst bei warmer Luft auftreten. Alle diese Erkenntnisse und eine gehörige Portion Berufserfahrung setzen Jürgen Schröder jetzt in die Lage, sein Lackierverfahren weiter zu optimieren. Hat er bisher neben der Imprägnierung der Hölzer und einer Flut-Tauchgrundierung zwei Deckbeschichtungen vorgenommen, so denkt er jetzt darüber nach, zwei Flutaufträge zu realisieren. Dabei müssen die unterschiedlichsten Klimabedingungen in der Halle garantiert werden. Nach dem Flutauftrag soll zunächst einmal eine relativ hohe Luftfeuchtigkeit vorhanden sein, damit der Film einwandfrei abtropfen und verlaufen kann. Dann wird anschließend, wie schon besprochen, das Wasser im Kältetrockner ausgetrieben und der Zwischenschliff kann erfolgen. Bei einem optimalen Verlauf der ersten Schicht bei möglichem Einsatz einer Dickschichtflutgrundierung mit höherem Festkörper rechnet Schröder sich evtl. auch aus, auf das Schleifen völlig verzichten zu können. Dann könnte eine zweite Flutgrundierung erfolgen, und nur der letzte Arbeitsgang würde vor der Coolac-Wand, die er in seine Spritzwand installiert hat, mit der Decklackierung in Transparent oder farbig erfolgen (Abb. 12 und 13). Kältetrocknung, und wie geht es weiter? Natürlich ist die Kältetrocknung nicht beliebig einsetzbar, sondern die Wasseraufnahme, die im Differenzbereich zwischen 1 bis 4 g und 8 bis 10 g/m 3 liegt, hat auch gesamtmengenmäßig ihre Grenzen. Adolf Brockmann von der AB Oberflächen- und Umwelttechnik sieht diese bei rund 30 kg Wasser pro Stunde. Alles was darüber liegt, könnte man aber mit der sogenannten Sorptionstechnik oder Sorptionstrocknung lösen, die ebenfalls vor allem in der Holzindustrie von großem Interesse ist, da hierbei die Energiefrage zur Desorption der eingesetzten Zeolithe kein Problem wäre. Ein Sorptionstrockner benötigt 0,7 kw/kg Wasser und Stunde, und der Einsatz von fossiler Energie wird hier möglich, während der Kompressor ja mit seinem Kälteaggregat grundsätzlich auf Strom angewiesen ist. Die Resorption der Zeolithe könnte schon bei 60 C erfolgen, und die dabei entstehende warme Abluft Abb. 12 und 13: Die Endlackierung der Teile geschieht an dieser Coolac-Wand, und durch die kuppelgelagerten drehbaren Aufhängungen können die Teile platzsparend quer gestapelt werden Bildnachweis: Abb. 1, 5 sowie AB Anlagentechnik, Abb. 2: nach Helmut Bau- I-Lack4/ Jahrgang Wasserlacktrocknung

5 kann als Hallenerwärmung eingesetzt werden. Derzeit laufen in Achim oder auch bei den verschiedenen Lackherstellern und Lackverarbeitern umfangreiche Versuche, um die Techniken der Kältetrocknung oder Sorptionstrocknung in weiteren Bereichen einzusetzen. Bei der Firma Schlierbach in Waldenberg bei Frankfurt wird diese Thematik speziell unter dem Gesichtspunkt der Automobilindustrie bearbeitet. Eine erste Anlage für die Wasserlacktrocknung von Kunststoffteilen für die Automobilindustrie wird wahrscheinlich demnächst installiert. Und weil die Prozesse so frappierend verlaufen, interessiert sich selbst die Automobilindustrie in der Serienlackierung für diese Technik und denkt beispielsweise darüber nach, Wasserdecklacksysteme auf der Basis der Kältetrocknung effizienter und energiesparender zu trocknen.