Sonderdruck aus Kunststoff-Berater 9/2007 Helmut Gries: Energie sparen durch Heizen und Kühlen ein Widerspruch?

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1 Sonderdruck aus Kunststoff-Berater 9/2007 Helmut Gries: Energie sparen durch Heizen und Kühlen ein Widerspruch? Energie sparen durch Heizen und Kühlen ein Widerspruch?

2 Kühl- und Temperiertechnik Energiekosten senken: Praktische Ansätze durch optimierte Temperierung Energie sparen durch Heizen und Kühlen ein Widerspruch? Helmut Gries GWK Gesellschaft Wärme Kältetechnik mbh, Kierspe Bei allen kunststoffverarbeitenden Prozessen wird eine Temperaturführung innerhalb definierter Grenzen benötigt. Die Eigenschaften des verarbeiteten Rohstoffs, die qualitativen Anforderungen an das Fertigteil und das eingesetzte Verarbeitungsverfahren bestimmen die Rahmenbedingungen des thermischen Prozesses. Zur Erzeugung niedriger Temperaturen werden Kältemaschinen eingesetzt. Die Aufheizung von Massezylindern und formgebenden Werkzeugen auf Verarbeitungstemperatur und das Konstanthalten der Temperatur innerhalb enger Toleranzen wird entweder über elektrische Beheizung oder mit Temperiergeräten realisiert. Dem Verbraucher wird entweder durch Einschalten der Heizung Wärme zugeführt oder durch Zuschalten der Kühlung Wärme entzogen. Der Wärmetransport erfolgt durch ein Wärmeträgermedium, das mit einer Pumpe durch den Verbraucherkreis gefördert wird. Alle damit verbundenen Technologien verbrauchen elektrische Energie, die als immer bedeutenderer Kostenfaktor die Wettbewerbsfähigkeit der Kunststoffverarbeiter negativ beeinflusst. Es ist daher nicht verwunderlich, dass eine steigende Zahl von Verarbeitern den in ihrem Hause ZUM INNENTITEL Die ständig steigenden Energiekosten stellen für jeden Kunststoffverarbeiter ein wachsendes Problem im globalen Wettbewerbsumfeld dar. Alle im Verarbeitungssystem eingesetzten Komponenten werden daher immer kritischer bezüglich ihres Energieverbrauchs betrachtet. Temperiergeräten wird in diesem Kontext mitunter nachgesagt, dass sie Energieverschwender seien, da sie durch Umwandlung elektrischer Energie Wärme erzeugen, die später von der Kühlanlage, wiederum unter hohen Energieeinsatz vernichtet werde. Dies ist ein Vorurteil, welches bei der Betrachtung des Gesamtprozesses eindeutig widerlegt werden kann. Ganz im Gegenteil ist belegbar, dass bei richtiger Auslegung der Temperierung erhebliche Energieeinsparungen realisierbar sind, die weit über den Verbrauchsdaten der eingesetzten Temperiergeräte liegen. gwk Gesellschaft Wärme Kältetechnik mbh Friedrich-Ebert-Straße D Kierspe Tel.: /66 50 Fax: / Internet: Abb.1: Temperiergeräte verfügen in der Regel über drei Komponenten, die elektrische Energie verbrauchen: 1. Umwälzpumpe, 2. Heizung, 3. Kühlung (indirekt über Kompressoren, Pumpen und Ventilatoren der angeschlossenen Rückkühlanlage) eingesetzten Kühl- und Temperierverfahren mehr Beachtung schenkt und diese kritisch bezüglich ihrer Energieeffizienz durchleuchtet. Bei der Rückkühlung der aus den Prozessen abgeführten Wärme wird bereits ein hoher Grad an Energieeinsparung in der Praxis realisiert. Dies mag daran liegen, dass sich die Amortisationskosten für die notwendigen Investitionen in eine energetisch optimierte Kühlanlage direkt und anhand harter Daten sauber und nachvollziehbar errechnen lassen. So kann z.b. die so genannte Winterentlastung von Kältemaschinen, das heißt die Stromkostenersparnis durch Nutzung reiner Luftkühlung mit Ventilatoren an Stelle eines Kompressors, bei ausreichend niedrigen Außentemperaturen, anhand der installierten Leistungen und der Betriebsstunden mit Hilfe von Klimatabellen genau errechnet werden. Das Gleiche gilt für die sekundäre Nutzung der Abwärme in Form von Heizenergie für Raumheizungen oder Prozessluft. Schlechte Temperierung bedeutet hohe Energiekosten Im Gegensatz zur reinen Kühlung ist bei der Temperierung das Verhältnis zwischen Investitionskosten und Betriebskosten nicht so einfach zu ermitteln. Zum einen bedeutet Temperieren abwechselndes, prozessabhängiges Heizen und Kühlen, zum anderen sind die energetischen Vorteile eher im

3 Gesamtprozess und nicht in den elektrischen Anschluss- und Verbrauchsdaten des Temperiergeräts zu suchen. Selbstverständlich verursachen auch im Verhältnis zu den Prozessanforderungen zu große Heiz- und Pumpenleistungen unnötige Energiekosten, die keinesfalls vernachlässigt werden sollten (Abb.1). Eine regelrechte Ener gieverschwendung findet je doch durch falsche Prozesszuordnung, unzureichende Berücksichtigung und unfachmännische Umsetzung thermodynamischer Grundregeln und durch nachlässigen Umgang mit den wärmeübertragenden Systemkomponenten statt. Der erste entscheidende Fehler wird bereits häufig bei der Auslegung und Fertigung der formgebenden Werkzeuge gemacht. Dabei wird schlichtweg gar nicht oder zumindest nicht in ausreichendem Maße berücksichtigt, dass ein Werkzeug neben der Formgebung auch die Funktion eines Wärmeaustauschers hat. Wenn Temperierkanäle nicht der Geometrie des Formteils angepasst werden, indem sie möglichst kavitätsnah seinen Konturen folgen und die im Werkzeug zur Verfügung stehende Fläche maximal nutzen, dann macht sich dieses Versäumnis in unnötig langen Zykluszeiten und erhöhter Ausschussrate bemerkbar. Beides führt aber dazu, dass zur Fertigung der benötigten Stückzahl an Formteilen nicht nur die an das Werkzeug angeschlossenen Temperiergeräte, sondern die gesamte Produktionszelle mit allen Peripherieeinrichtungen länger in Betrieb sein muss. Die dadurch bedingten Mehrkosten liegen meistens deutlich über denen, die eine adäquate Berücksichtigung der thermischen Anforderungen verursacht hätte (Abb.2). Abb.2: Konventionell gebohrte Temperierkanäle haben den Nachteil, dass sie der meist komplexen Kontur von Formteilen nicht folgen können, was eine inhomogene und unwirtschaftliche Wärmeübertragung zur Folge hat Abb.3: Hot Spots an Formteilen werden meistens durch eine unzureichende Werkzeugtemperierung verursacht. Sie sind häufig der Grund für mangelnde Formteilqualität und unnötig lange Zykluszeiten Kühl- und Temperiertechnik Kosten senken durch optimierte Temperierung Ein einfaches Zahlenbeispiel macht dieses deutlich. Die Thermografie eines technischen Formteils zeigt einen Hot Spot, dessen Oberflächentemperatur um 40 K über dem Temperaturniveau der anderen Form teilsegmente liegt. Ursache dafür ist das Versäumnis, dem durch einen dicken Anschraubdom erhöhten örtlichen Wärmeeintrag werkzeugseitig mit einer ge eigneten Temperierung Rechnung zu tragen. Als Faustformel kann angenommen werden, dass eine Temperaturerhöhung um 1 K die Kühlzeit um 2% verlängert. Da die Kühlzeit bei technischen Form teilen in der Regel zwei Drittel der Gesamtzykluszeit ausmacht, hat sich diese für unser Beispiel also unnötigerweise um 53% erhöht. Werden mit bestehender Temperierung zur Fertigung der Jahresstückzahl bisher Produktionsstunden benötigt, so hätten davon bei optimierter Temperierung 530 Stunden eingespart werden können. Bei einem Maschinenstundensatz von 30 EUR wären dies EUR gewesen. Die Kosten für die Optimierung der Temperierung hätten bei ca EUR gelegen und sich somit bereits nach 5 Monaten amortisiert (Abb.3). Homogenes Temperaturprofil durch kavitätsnahenwärmeaustausch Bei den meisten Formteilgeome t- rien ist es nicht möglich, nur mit der konventionellen Bohrtechnik in allen Formteilbereichen einen thermisch idealen Wärmeaustausch zu realisieren. Um mit Temperierkanälen der Formteilkontur so folgen zu können, dass eine dem Wärmehaushalt des Formteils angepasste Formentemperierung entsteht, ist man gezwungen, das Werkzeug konstruktiv zu trennen. Abb.4: Werkzeugeinsätze mit kavitätsnah integrierten Temperierkanälen haben eine bis zu dreimal so große Wärmeaustauschfläche wie bohrtechnisch gefertigte Lösungen. Dies ermöglicht einen besonders schnellen und homogenen Wärmeaustausch

4 Kühl- und Temperiertechnik Durch das konstruktive Trennen z.b. des Werkzeugkerns, kann man über Frästechnik in bestimmtem Abstand zur Werkzeugwand Temperierkanäle einbringen. Diese im Querschnitt oft kleineren und eng beieinanderliegenden gefrästen Temperierkanäle können der Werkzeugwand in dichtem Abstand folgen und sind über ihre größere Mantelfläche weit besser in der Lage als eine Bohrung, Wärme aus dem Formnest schnell und gleichmäßig abzuführen. Sowohl der dichtere Abstand der Kanäle zur Werkzeugwand, als auch die größere Wärmeaustauschfläche machen sich in der Praxis als Zyk luszeitvorteil und Qualitätsverbesserung bemerkbar (Abb.4). Energiekosten senken trotz deutlicher Leistungssteigerung Voraussetzung ist allerdings, dass die nun ideal im Werkzeug angeordneten Temperierkanäle auch optimal mit Temperiermedium der richtigen Temperatur und Menge versorgt werden. Optimal bedeutet in diesem Zusammenhang, dass weder zu wenig noch zu viel des Guten getan wird. Das Ziel ist nicht, soviel wie möglich zu temperieren, sondern eben soviel, wie nötig. Die thermische Werkzeugberechnung liefert die dafür notwendigen Daten. Ihre Resultate stehen häufig im krassen Gegensatz zur allgemein üblichen betrieblichen Praxis. Selbst in den Köpfen erfahrener Einrichter und Verfahrenstechniker hat sich die Meinung festgesetzt, dass bei Temperaturproblemen erst einmal Wasserdruck und Wassermenge erhöht werden müssen. Häufig wird in diesen Fällen als Erstes die Leistung der Kältemaschine als zu gering kritisiert. Über die Wasserverteilung im Verbraucher macht man sich die we- Abb.5: Die Fertigstellung der kavitätsnah temperierten Werkzeugrohlinge geschieht in modernen Hochtemperaturvakuumöfen mit anschließender Qualitätsprüfung der Fügeebenen durch Ultraschall Geprüfte Qualität für optimale Spritzgießwerkzeuge Nach dem konstruktiven Zerlegen einer Form in sinnvolle Segmente und dem Einbringen der Temperierkanäle werden alle gemachten Schnittebenen über ein geeignetes Fügeverfahren wieder vereint. Hier kann z.b. mit einem Hochtemperatur-Lötverfahren unter Vakuum gearbeitet werden. Dieses Verfahren ist in der Lage, alle Segmente stoffschlüssig so miteinander zu verbinden, dass ein Formeinsatz aus mehreren Teilen sich nach dem Fügen mechanisch verhält wie aus einem Stück. Die Güte der Fügefläche wird mittels Ultraschall getestet. Zur Überprüfung der Dichtigkeit Abb.6: Selbst bei Dünnwandartikeln sind Produktivitätssteigerungen von mehr als 50 Prozent bei gleichzeitiger Halbierung der Wassermenge möglich. Der Energieverbrauch pro Formteil kann durch die temperiertechnische Optimierung erheblich gesenkt werden wird eine Hochdruckprüfung mit Wasser vorgenommen, bei welcher gleichzeitig auch die Durchflussmengen pro Temperierkreis protokolliert werden. Der mit Temperierkanälen fertig bestückte Formeinsatz wird anschließend mit den im Werkzeugbau üblichen Mitteln endbearbeitet, wobei zu beachten ist, dass es sich infolge der Wärmebehandlung bereits um einen gehärteten Einsatz handelt. Neben dem Härten spart der Werkzeugbauer zusätzlich das arbeitsintensive Bohren und Verschließen der Temperierkanäle (Abb.5). Die auf diese Weise realisierbare Wärmeaustauschfläche ist im Vergleich zur konventionellen Technik in der Regel dreimal so groß, was Kühlzeitverkürzungen von 30% und mehr zur Folge hat. Die so indirekt erzielbaren Energieeinsparungen sind erheblich

5 nigsten Gedanken, obwohl in den meisten Fällen darin die Ursache der Qualitätsprobleme am Formteil und der zu langen Kühlzeiten zu suchen ist. Völlig vergessen werden in solchen Krisensituationen die unnötig hohen Energiekosten, die durch die sinnlose Installation einer leistungsstärkeren Pumpe oder gar eines größeren Verdichters verursacht würden. Mit den heutigen Möglichkeiten innovativer Werkzeugtemperierung ist in vielen Fällen sogar eine deutliche Leistungssteigerung bei gleichzeitig erheblicher Energiekostensenkung durch Halbierung der Wassermenge und Anhebung der Wassertemperatur umsetzbar (Abb.6). Abb.7: Bereits im Jahre 1988 stellte GWK mit dem ersten Temperierblock ein kompaktes, in die Spritzgießmaschine integrierbares System für die segmentierte Werkzeugtemperierung vor hersteller wieder in das Ausstellungsprogramm aufgenommen, nachdem seitens der Verantwortlichen realisiert wurde, dass eine Integration wohl doch nicht die Regel war (Abb.7). Kühl- und Temperiertechnik und vergleichsweise preiswerte Kombination aus Standardtemperiergeräten und Wasserbatterie zurück. Sie vergessen dabei allerdings, dass diese nicht prozessfähige Universallösung durch fehlende automatische Regelung, Überwachung und Speicherung der Wassermenge über die Spritzgießmaschinensteuerung unter dem Strich, das heißt gemessen an der Formteilqualität und der Prozesssicherheit kosteninten- 20 Jahre segmentierte Werkzeugtemperierung Die thermische Werkzeugauslegung bestimmt auch, wie viele Temperierkanäle separat versorgt werden müssen. In den seltensten Fällen ist es ausreichend, nur ein oder zwei Temperiergeräte einzusetzen. Die technisch und wirtschaftlich günstigsten Ergebnisse werden meist mit einer segmentierten Werkzeugtemperierung erzielt. Diese Erkenntnis ist übrigens nicht neu. Bereits vor 20 Jahren wurden entsprechende Temperiersysteme am Markt angeboten. Ihre konstruktive Ausführung beruhte bereits damals auf der Erkenntnis, dass die modular aufgebauten Temperierbausteine möglichst werkzeugnah und vollständig in die Spritzgießmaschine integriert werden müssen. Aus prozesstechnischer Sicht war dieser Gedanke so nachvollziehbar, dass Temperiergeräte damals aus der Nomenklatur der Kunststoffmesse in Düsseldorf gestrichen wurden, weil sie als selbstverständlicher Bestandteil einer Spritzgießmaschine, vergleichbar einem Elektromotor oder einem Hydraulikaggregat bewertet wurden. Erst später wurden sie auf Betreiben der Temperiergeräte- Integration schließt Prozesslücke Trotzdem muss man sich fragen, warum es so lange gedauert hat, bis die ersten seriennahen Integrationen durchgeführt wurden, obwohl man sich der Notwendigkeit dieser Maßnahme schon lange bewusst war. Vielleicht liegt es daran, dass die damaligen Systeme nicht universell genug waren und auch die verfügbare Regeltechnik nicht dem heutigen Stand entsprach. Der normale Spritzgießverarbeiter und auch die meisten Maschinenhersteller greifen aber auch heute noch vorzugsweise auf die gewohnte Abb.8: Die vollständige Integration der individuellen Regelung, Überwachung und Dokumentation der Durchflussmenge pro Temperierkreis in die Spritzgießmaschine und ihre Steuerung schließt eine wichtige Prozesslücke siver ist als die vollständig integrierte Lösung. Dabei geht mittelfristig kein Weg an der Integration vorbei (Abb.8). Mit den wachsenden technischen Abb.9: Bei der dynamischen Formnesttemperierung wird die Kavitätenoberfläche zur Verbesserung der Formteileigenschaften zyklisch aufgeheizt und abgekühlt. Die erzielbaren Temperaturveränderungen hängen vom Gesamtkonzept und den installierten Leistungen ab

6 Kühl- und Temperiertechnik und wirtschaftlichen Anforderungen im globalen Wettbewerbsumfeld werden die technisch erforderlichen, innovativen Temperierlösungen die Billigversionen zumindest in unseren Breiten verdrängen. Für zukünftige Applikationen werden simple Temperiergeräte und Wasserorgeln durch komplexe Temperiersysteme und -verfahren ersetzt werden. Abb.11: Die schnellste und energetisch interessanteste Lösung für die dynamische Formnesttemperierung ist die Kombination aus einer elektrisch leitenden Heizkeramik mit der kavitätsnah angeordneten Wasserkühlung Abb.10: Die dynamische Formnesttemperierung auf Basis Fluid/Fluid besteht aus zwei Temperiergeräten, wovon eines als Heizgerät und das andere als Kühlgerät fungiert. Prozessgesteuerte Umschaltventile sorgen für den zeitgerechten Mediumaustausch im Werkzeug Werkzeuge dynamisch temperieren Ein gutes Beispiel dafür sind die Herausforderungen, die neue Anwendungen an die Verarbeitungssysteme stellen. Der Peripherie, und dabei ganz speziell der Werkzeugtemperierung kommt bei den Entwicklungsprojekten eine zentrale Bedeutung zu. Optische Applikationen stellen z.b. hohe Anforderungen an die Formteilqualität und tendieren daher am oberen Ende des Verarbeitungsfensters für die Werkzeugwandtemperatur. Schaut man sich die Prozessführung näher an, erkennt man aber, dass die hohen Temperaturen nur in der Füllphase, aber nicht in der Abkühlphase benötigt werden. Die konventionellen statischen Temperierverfahren, die mit einer konstanten Vorlauftemperatur arbeiten, müssen daher durch dynamische, den zyklischen Temperaturanforderungen angepasste Verfahren ergänzt werden. Dynamische Werkzeugtemperierungen sind zweistufige Temperierverfahren, die auch unter dem Begriff Variotherme Temperierung bekannt sind. Ihre Grundlage beruht auf der Erkenntnis, dass hohe Werkzeugwandtemperaturen die Werkzeugfüllung und die Abbildung der Kavitätenoberfläche deutlich verbessern, aber zu Lasten der Kühlzeit gehen, während niedrige Werkzeugwandtemperaturen die Kühlzeit verkürzen, aber schlechtere Formteileigenschaften zur Folge haben. Konventionelle Temperierverfahren arbeiten aber innerhalb eines Zyklus immer mit einer konstanten Medientemperatur, die lediglich über eine Mengenregelung Temperaturveränderungen innerhalb enger Grenzen realisieren kann. Formteilqualität verbessern mit innovativem Temperierverfahren Um Bindenähte, Glanzunterschiede und andere Oberflächenfehler ohne nennenswerte Kühlzeitverlängerung zu vermeiden, wird im Gegensatz zu den konventionellen Verfahren bei den dynamischen Formnesttemperierungen über einen Heizkreis die Werkzeugwandtemperatur in der Füllphase auf einer hohen Temperatur gehalten und für die Kühlphase auf einen Kühlkreis mit niedriger Temperatur umgeschaltet. Diese Temperaturumschaltung erfolgt zyklusabhängig (Abb.9). Die Beheizung kann über ein flüssiges oder dampfförmiges Medium oder über eine in das Werkzeug integrierte elektrische Heizung erfolgen, mit Heizpatronen, keramischen Heizungen oder induktiv. Die Kühlung erfolgt in der Regel diskontinuierlich mit Wasser. Wichtig ist die vollständige Verknüpfung der Heizungs- und Kühlungsregelung in einem System. Das jeweilige Ziel ist immer, die Werkzeugwandtemperatur zum Zyklusbeginn in kurzer Zeit nahe an die Schmelzetemperatur anzuheben, um nach Abbildung der Oberfläche durch Temperaturabsenkung so schnell wie möglich

7 die Entformungstemperatur des Kunststoffteils zu erreichen. Hohe Energiekosten bei herkömmlichen Verfahren Erste Lösungen für Strukturschaumanwendungen wurden bereits Anfang der Siebziger Jahre des vorigen Jahrhunderts auf der Basis von zwei Flüssigkeitstemperiergeräten realisiert. Dabei wurde über die Ansteuerung von Umschaltventilen durch Maschinensignale zyklusabhängig heißes bzw. kaltes Temperiermedium abwechselnd durch die gleichen Temperierkanäle geleitet. Auf Grund der benötigten hohen Temperaturen wurden die ersten Ansätze mit Wärmeträgeröl umgesetzt, da zu diesem Zeitpunkt noch keine ausgereiften, für die hohen Drücke ausreichend sicheren Druckwassergeräte existierten. Die im Verhältnis zu Wasser deutlich schlechteren Wärmeübertragungseigenschaften ließen jedoch keine technisch und wirtschaftlich überzeugenden Resultate zu. Selbst mit dem für die Wärmeübertragung um den Faktor 10 besseren Medium Wasser ist die dynamische Werkzeugtemperierung mit flüssigen Medien auch bei langen Aufheizzeiten sehr energieintensiv. Alle mit dieser Technologie am Markt praktizierten Lösungen haben den wirtschaftlichen Nachteil extrem langer Zykluszeiten. Die auf Fluidbasis arbeitenden externen Verfahren scheiden bei den meisten Anwendungen wegen des hohen Energiebedarfs und der ebenfalls hohen Anlagenkosten aus wirtschaftlichen Gründen für die zukünftigen Anforderungen an eine Serienfertigung aus (Abb.10). Abb.12: Verschmutzte Kanäle in Temperierkreisläufen führen zu erheblichen Kühlzeitverlängerungen und sind somit häufig die eigentliche Ursache für steigende Energieverbräuche und die damit verbundenen Kosten Kühl- und Temperiertechnik Energieverbrauchs umsetzen. Allerdings kommt es auf die Art der Beheizung an. Die auf Basis induktiver Beheizung und fluider Kühlung funktionierenden Methoden haben in puncto Energieverbrauch und Anlagenkosten gravierende Schwächen. Hinzu kommen Sicherheitsrisiken bei der an sich interessanten induktiven Beheizung, deren Beherrschung zusätzliche Kosten verursacht. Bei den internen Verfahren scheidet die vergleichsweise preiswerte Aufheizung mit Heizpatronen aus Gründen der ungerichteten Wärmeabgabe, der schlechten Regelbarkeit und der beschränkten Lebensdauer von vornherein aus. Die induktive Beheizung ist wesentlich effektiver, leidet jedoch unter den vorab geschilderten hohen Kosten und vorhandenen Sicherheitsrisiken. Am interessantesten erscheint der entwicklungsmäßig jüngste Bereich der elektrisch leitenden Keramiken in Verbindung mit der kavitätsnahen Kühlung. Die elektrisch leitenden Keramiken haben den Vorteil einer hohen, punktgenau und zeitlich genau dosierbaren Leistungsdichte. Innovative Fertigungsmethoden ermöglichen die Kombination wärmeleitender und wärmeisolierender Schichten. So ist eine schnelle Aufheizung abgegrenzter, vorher definierter Werkzeugsegmente realisierbar. Die kavi- Keramische Heizungen Schnell, präzise, energieeffizient Die elektrische Aufheizung im Werkzeug lässt sich bei optimaler Gestaltung dagegen zehnmal schneller mit einem Zehntel des Abb.13: Die kompakte zentrale Wasserreinigungs- und Wasserkonditionieranlage active stellt eine für die Wärmeübertragung ideale Wasserqualität sicher. Mit dem mobilen Reinigungsgerät moldclean können bereits verschmutzte Temperierkanäle und Wärmeaustauscher gesäubert werden Abb.: GWK (1, 2, 4, 5, 7, 9, 10,11, 12, 13)/ GTT (3)/GWK,Hofstetter (6)/ GWK, Engel (8)

8 Kühl- und Temperiertechnik tätsnahe Kühlung sorgt nach der Werkzeugfüllung für eine gleichmäßige und schnelle Abkühlung des Formteils. Die Kombination der beiden Verfahren ermöglicht eine wirtschaftliche und energieeffiziente Werkzeugtemperierung mit hoher Temperaturdynamik. Voraussetzung ist die vollständige Verknüpfung der Regelung von Heizung und Kühlung in einem System (Abb.11). Produktivität aufrecht erhalten Gerade bei Prozessen, die auf höherem Temperaturniveau ablaufen, muss ein häufig unterschätzter, weil als banal eingestufter Faktor sorgsam berücksichtigt werden, wenn man die Produktivität der Fertigung aufrechterhalten will. Die Rede ist einmal mehr von der Wasserqualität, für die offensichtlich jeder Verarbeiter Verständnis hat, aber dennoch meist keinerlei Bereitschaft aufweist, in sie zu investieren. Wasser ist kein einheitlicher, fest definierter Stoff. Je nach Herkunft gibt es Wasser in sehr unterschiedlicher Zusammensetzung. Es ist nirgendwo in nahezu reinem Zustand vorhanden. Entsprechend dem Kontakt mit Luft, Erdreich, Behältern und Rohrleitungen ist es mehr oder weniger stark mit organischen und anorganischen Substanzen verunreinigt. Wasser ist ein hervorragendes Lösungsmittel und kann aus diesem Grunde eine Vielzahl von Substanzen aufnehmen. Im Wasser gelöste Substanzen gehen chemische Verbindungen ein und bleiben dort entsprechend ihrer positiven oder negativen Ladung als Kationen (z.b. Wasserstoff, Eisen, Kupfer, Zink, Mangan, Kalzium, Magnesium) oder als Anionen (z.b. Phosphate, Nitrate, Nitrite, Chloride, Sulfate, Sulfite, Karbonate) enthalten. Besonders an Stellen hoher thermischer Belastung wird oft das Löslichkeitsprodukt der im Kreislaufwasser angereicherten Härtebildner überschritten. Es kommt zu Ausscheidungen und Ablagerungen wärmedurchgangshemmender Schichten von Kalziumsalzen in Form von Karbonaten. Folge dieser Ablagerungen sind verminderter Wärmeübergang und Verstopfung von Rohrleitungen und Kühlkanälen bis hin zum Ausfall von Anlagenkomponenten. Im Wasser enthaltene freie Kohlensäure greift eiserne Werkstoffe, Zink und Kupfer an. Als Resultat tritt die so genannte Flächenkorrosion auf, die gleichmäßig auf die wasserführenden Komponenten einwirkt. Im Gegensatz dazu zeigt sich die Sauerstoffkorrosion als lokaler kraterförmiger Lochfraß. Grundsätzlich muss festgestellt werden, dass Warmwassersysteme bei Vorhandensein von aggressivem Wasser stets einem höheren Korrosionsrisiko unterliegen. Werden Spritzgießwerkzeuge auf Grund der zu verarbeitenden Formmasse über Temperiergeräte mit hohen Temperaturen betrieben, so sind bei gleichzeitig hohem Sauerstoffgehalt und hoher Konzentration an gelösten Salzen diese Kreisläufe besonders korrosionsgefährdet (Abb.12). Kostenfaktor Wasserqualität Ablagerungen an den Wandungen der wärmeübertragenden Systemkomponenten führen zu einer deutlichen Verlängerung der Kühlzeit. Mit wachsender Schichtdicke ist auch ein negativer Einfluss auf die Produktqualität nicht mehr auszuschließen. Beide Effekte haben wegen der Betriebsstundenerhöhung der gesamten Produktionszelle enorme Auswirkungen auf die Energie- und Prozesskosten. Kühlzeitverlängerungen bis zu 60% und Betriebskostensteigerungen von mehr als 30% gegenüber dem Neuzustand der Produktionsmittel sind keine Seltenheit. Infolge der Vielzahl der möglichen Einflussfaktoren stellt die für einen störungsfreien und wirtschaftlichen Betrieb einer Kühlanlage benötigte Wasserqualität ein komplexes Thema dar. Nur eine umfassende, weitestgehend automatisch funktionierende Anlagentechnik ist in der Lage, permanent die höchst mögliche Produktivität bei gleichzeitig niedrigsten Energiekosten sicherzustellen. Darüber hinaus ist für eine regelmäßige Reinigung und Wartung aller wasserführenden Kreisläufe Sorge zu tragen (Abb.13). Fazit: Richtig temperieren = Energiekosten sparen Auf den ersten Blick mag es widersprüchlich erscheinen, dass mit den energieintensiven Prozessen von Heizen und Kühlen in der kunststoffverarbeitenden Industrie Energie gespart werden kann. Es wird aber bereits bei dieser kurzen und daher unvollständigen Betrachtung deutlich, dass die richtige Anwendung des thermischen Verfahrenswissens, die konsequente Nutzung der heute zur Verfügung stehenden Technologien und die Weiterentwicklung bestehender Verfahren erhebliche Potenziale zur Energiekostensenkung erschließen können. Bei allen Kostenvergleichen ist zu beachten, dass nicht nur die individuellen elektrischen Anschlusswerte und Betriebskosten der Kühl- und Temperiervorrichtungen, sondern die damit verbundenen Betriebsstunden und Energiekosten der gesam ten Produktion betrachtet werden müssen. KONTAKT gwk Gesellschaft Wärme Kältetechnik mbh Tel / K 2007: Halle 10, Stand A

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