REITZ Ventilatoren: Die Zauberformel für Energieeffizienz: Elektronische Drehzahlregelung

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1 REITZ Ventilatoren: Die Zauberformel für Energieeffizienz: Elektronische Drehzahlregelung Laut EU-Beschluss soll die Energieeffizienz in Europa bis 2020 um 20 % erhöht und der CO2-Ausstoß um etwa 780 Millionen Tonnen pro Jahr vermindert werden. Aber nicht nur die europäische Industrie ist aufgerufen, ihre Energie-Effizienz auf den Prüfstand zu stellen und in energieeffiziente Technologien und Anlagen zu investieren. Alle Industrieunternehmen weltweit sollten einen Beitrag zum Klimaschutz und zur nachhaltigen Sicherung der Lebensgrundlagen leisten und Maßnahmen zur Energieeinsparung und Verringerung des CO2-Ausstoßes ergreifen. Das größte Energiesparpotenzial für die produzierende Industrie liegt nach Ansicht von Branchenkennern im Bereich der elektromotorischen Antriebe. Ventilatoren, Lüfter, Pumpen, Kompressoren und Hydraulikpressen machen rund zwei Drittel des gesamten Stromverbrauchs im produzierenden Gewerbe aus. Die Ursache für den hohen Energieverbrauch liegt in der Regel darin, dass viele Unternehmen nach wie vor mechanische Verfahren wie Drossel- und Drallregelung zur Regelung des Förderstroms einsetzen. Rund ein Drittel könnten die Betriebe an Energie einsparen, wenn sie stattdessen auf die elektronische Drehzahlregelung umstellen würden. Die Mehrkosten amortisieren sich durch die Einspareffekte im Durchschnitt innerhalb von zwei Jahren. Die Konrad Reitz Ventilatoren GmbH & Co. KG aus Höxter / Deutschland beschäftigt sich seit Jahren mit dem Thema Energieeffizienz. Das Unternehmen, das 2008 auf 60 Jahre Erfahrung im Industrieventilatorenbau zurückblickt und als Lieferant maßgeschneiderter Hochleistungsventilatoren auch in der Zementindustrie einen festen Platz hat, stattet seine Ventilatoren mit Frequenzumrichtern aus, die eine energiesparende Regelung des Luftstroms ermöglichen. Im folgenden sollen die drei bekanntesten Regelungsverfahren für Radialventilatoren mechanische Drossel- und Drallregelung und elektronische Drehzahlregelung betrachtet und die Vorteile der Drehzahlregelung aus energietechnischer, regelungstechnischer und schalltechnischer Sicht dargestellt werden. Nur so viel Einsatz bringen wie nötig: Vorteile der elektronischen Drehzahlregelung. In allen lufttechnischen Anlagen mit quadratischen Kennlinien werden heute folgende Regelungstechniken eingesetzt: Die Drossel- und Drallregelung sind mechanische Regelungsverfahren. Bei konstanter Drehzahl des Motors wird über die Regelungsmechanik die Ventilationsleistung gesteuert. Wenn der Motor auf 100% läuft, eigentlich aber nur 50% Leistung erforderlich sind, wird überspitzt gesagt ein Großteil der Energie einfach weggedrosselt, die mit variabler Drehzahlregelung eingespart werden könnte. REITZ Ventilatoren 01/2008 1

2 Drosselregelung Dallregelung Die Drehzahlregelung ist ein Verfahren, bei dem die Ventilatorenkennlinie der Anlagenkennlinie exakt angepasst ist. In Abhängigkeit von der zu fördernden Gasmenge (Volumenstrom) entsteht im Anlagensystem ein Druckverlust (Widerstand). Der drehzahlgeregelte Ventilator erzeugt in jedem Betriebspunkt nur genau so viel Druckerhöhung, wie vom System zur Überwindung des Widerstandes abverlangt wird. Dass drehzahlgeregelte Systeme gegenüber den mechanisch geregelten deutliche Energiesparvorteile mit sich bringen, zeigt allein schon der Blick auf die Leistungsbedarfskurven. Es gibt aber noch weitere Argumente, die für den Einsatz drehzahlgeregelter Ventilatorensysteme sprechen. Vorteil Nr.1: 100 % bedarfsgerechter Verbrauch. Im Sinne der Energieeffizienz sollte es heute in allen Branchen selbstverständlich sein, nur so viel Energie für den Ventilatorenbetrieb aufzuwenden wie für den optimalen Ablauf des lufttechnischen Prozesses erforderlich ist. Was heißt das? Die Druckerhöhung in den jeweiligen Betriebspunkten muss lediglich exakt den Wert erreichen, den das System, in dem der Ventilator eingesetzt ist, Drosselregelung Drallregelung Drehzahlregelung Der Leistungsbedarf der drei gängigen Regelungssysteme von Ventilatoren im Vergleich 2 Lorem Sit Month 00, 0000 REITZ Ventilatoren 01/2008 2

3 Vorteil Nr. 2: Lineare Regelcharakteristik. Gegenüberstellung der Leistungsbedarfskurven C = Pw aufgetragen über den Volumenstrom in % bezogen auf den Auslegungspunkt. C1 = Drosselregelung C2 = Drallregelung C3 = Drehzahlregelung C2 - C3 Energieeinsparung zwischen Drall- und Drehzahlregelung C1 - C3 Energieeinsparung zwischen Drossel- und Drehzahlregelung Für jeden Anlagenbauer und -betreiber ist die Kurvencharakteristik der Drossel- und Drallregelung eine besondere Herausforderung. Wenn beispielsweise mit einem Schrittregler in Verbindung mit dem Stellantrieb der Drossel- bzw. Drallklappe gearbeitet wird, kommt es häufig zu folgendem Problem: Im Teillastbereich zwischen 25% und 60% des Volumenstromdurchsatzes bewirkt ein kleiner Schritt des Schrittreglers eine zu große Volumenstromveränderung. Daraufhin gibt das übergeordnete Regelungssystem vor, einen Schritt zurück zu gehen, was wiederum einen zu kleinen Volumenstrom zur Folge hat. Dies führt dazu, dass im System der Schrittregler und der Ventilator ständig interagieren, ohne dass der erforderliche Volumenstrom exakt erreicht wird. Bei der Drehzahlregelung verändert sich der Volumenstrom dagegen linear zur Drehzahländerung des Ventilators. zur Erzeugung des Volumenstroms und zur Überwindung des Widerstandes benötigt. Unter diesen Bedingungen ist der optimale Wirkungsgrad erreicht. Jede Druckerhöhung, die darüber hinaus geht, ist prinzipiell ineffizient. Da ausschließlich drehzahlgeregelte Systeme durch ihre Ausrichtung an der Anlagenkennlinie jeweils den optimalen Wert erreichen, sind in einer Beispielrechnung signifikante Energieeinsparungen von 71% gegenüber der Drallregelung und 80,3% gegenüber der Drosselregelung am Betriebspunkt 50 zu verzeichnen. Bei der Drossel- und Drallregelung ist die Änderung des Volumenstroms häufig zu klein oder zu groß (1), während sich der Volumenstrom bei der Drehzahlregelung linear zur Drehzahl des Ventilators ändert (2). 3 Lorem Sit Month 00, 0000 REITZ Ventilatoren 01/2008 3

4 Vorteil Nr. 3: Geräuscharmer Lauf. Aktiver Lärm- und Umweltschutz bedeutet auch, in allen Anlagenkomponenten unnötige Schallemissionen zu vermeiden. Allein unter Berücksichtigung des günstigeren Geräuschverhaltens sollte die Entscheidung zugunsten drehzahlgeregelter Ventilatoren ausfallen. Auch unter dem Kostengesichtspunkt gilt es, die Geräuschvorteile der Drehzahlregelung gegen zusätzliche Aufwendungen für Schalldämmmaßnahmen abzuwägen. Da der drehzahlgeregelte Ventilator 9 bis 13 db(a) leiser ist als der drossel- bzw. drallgeregelte, können in vielen Fällen die Mehrkosten für ein drehzahlgeregeltes System durch den Minderaufwand oder im Einzelfall sogar Wegfall der sonst erforderlichen Schallschutzmaßnahmen aufgehoben werden. Vorteil Nr. 4: Perfektes Anlaufverhalten. Der durch den Frequenzumrichter in drehzahlgeregelten Systemen minimierte Anlaufstrom ermöglicht eine kleinere Bemessung von Niederspannungsverteilung, Hauptschalter, Kabelquerschnitten und damit langfristig erhebliche Kosteneinsparungen. 4 Lorem Sit Month 00, 0000 Ein nicht unwesentlicher Energiefresser ist der Vorgang des Anlaufens. Bei Hochdruckventilatoren kann das Massenträgheitsmoment sehr groß sein. Es ist dann erforderlich, Motoren mit größeren Antriebsleistungen einzusetzen, als dies in Bezug auf die erforderliche Wellenleistung notwendig wäre. Beim Anlaufen nicht drehzahlgeregelter Ventilatoren muss das Stromnetz für den Anlaufvorgang ein Vielfaches des Motornennstroms zur Verfügung stellen. Bei Einsatz von Frequenzumrichtern wird durch eine im Frequenzumrichter eingestellte Stromrampe vermieden, dass die Stromaufnahme das 1.1 fache des Motornennstroms übersteigt. Dadurch sind Einsparungen an den Niederspannungsverteilungen und Kabelquerschnitten gegeben. Vorteil Nr. 5: Mechanische Laufruhe. Auch in puncto Laufruhe bieten drehzahlgeregelte Ventilatoren entscheidende Vorteile. Drall- und drosselgeregelte Ventilatoren laufen z.b. auch im Teillastbereich mit voller Drehzahl. Der nicht benötigte Fördervolumendurchsatz wird mehr oder weniger abgesperrt. Es kommt daher zu Druckschwankungen und Schwingungsanregungen, die Rotor, Gehäuse und Regelorgane auf Dauer belasten. Bei drehzahlgeregelten Systemen hingegen kommt es zu einer wesentlich geringeren Beanspruchung im Teillastbereich. Sind Feststoffe wie z.b. Staub im Fördermedium enthalten, erhöhen Rückströmungen im Teillastbereich die Anbackungsgefahr auf der Schaufelsaugseite. Dadurch müssen die Laufräder häufiger gereinigt werden und die Stillstandzeiten erhöhen sich. In drehzahlgeregelten Systemen dagegen wird durch Absenken der Drehzahl eine gleichmäßige Durchströmung erzeugt, die sämtliche Partikel sauber aus dem Schaufelkanal herausbefördert. Drehzahlgeregelte Ventilatoren laufen ruhiger und verschleißen weniger schnell. REITZ Ventilatoren 01/2008 4

5 Drossel- u. Drallregelung Drehzahlregelung Anbackungsverhalten im Teillastbereich Bei der Drehzahlregelung werden durch Absenkung der Drehzahl bei einer gleichmäßigen Durchströmung alle Feststoffe abtransportiert. Vorteil Nr. 6: Einbindung in ein Fernüberwachungssystem. Umfassender als drossel- und drallgeregelte Ventilatoren können drehzahlgeregelte Systeme auf Wunsch des Kunden vom Hersteller online überwacht werden. REITZ bietet das Online Monitoring im Rahmen eines Wartungsvertrages an. Indem die wichtigsten Parameter des Systems ständig überprüft und daraus Prognosen ermittelt werden, können notwendige Wartungsmaßnahmen frühzeitig veranlasst und unvorhergesehene Stillstände zuverlässig vermieden bzw. gemanagt werden. Dies trägt zur Steigerung der Verfügbarkeit der Gesamtanlage bei. Harmonie mit System. Noch heute ist es zum Teil üblich, Ventilator, Motor und Frequenzumrichter als Einzelkomponenten zu betrachten, zu bestellen und zu montieren. Dass dies problematisch ist, zeigt sich spätestens, wenn Resonanzschwingungen auftreten, deren Ursprung nicht lokalisiert werden kann. Drehzahlgeregelte Ventilatorensysteme von REITZ bestehen aus drei präzise aufeinander abgestimmten Komponenten, die die Schwingungsproblematik gar nicht erst aufkommen lassen. 5 Lorem Sit Month 00, 0000 REITZ Ventilatoren 01/2008 5

6 Die Vorteile der elektronischen Drehzahlregelung im Überblick Vorteil 1: Vorteil 2: Vorteil 3: Vorteil 4: Vorteil 5: Vorteil 6: 100 % bedarfsgerechter Verbrauch Lineare Regelcharakteristik Geräuscharmer Lauf Perfektes Anlaufverhalten Mechanische Laufruhe Einbindung in ein Fernüberwachungssystem Die Drehzahlregelung hat sowohl in energie- und regelungstechnischer als auch in schalltechnischer Hinsicht entscheidende Vorteile gegenüber mechanischen Drosselverfahren. Für drehzahlgeregelte Ventilatoren gilt, dass nur soviel elektrische Energie zur Verfügung gestellt werden muss wie für den jeweiligen Anlagen-Betriebspunkt erforderlich ist. Dies bedeutet in lufttechnischen Anlagen mit quadratischen Kennlinien an einzelnen Betriebspunkten Einsparungen von über 80 Prozent. Darüber hinaus ergeben sich weitere Vorteile mit Blick auf die Investitionen und anschließenden Wartungstätigkeiten. Dabei sind drehzahlgeregelte Systeme bestehend aus Ventilator, Motor und Frequenzumrichter an sich keine Neuheit. Allerdings haben erst jüngste Fortschritte in der Umrichtertechnologie sowie die systematische Beseitigung störender Resonanzschwingungen durch die Konrad Reitz GmbH & Co. KG dazu geführt, dass drehzahlgeregelte Ventilatorensysteme eine mehr als wirtschaftliche Alternative darstellen, die sich im Schnitt in weniger als zwei Jahren amortisiert. Die Entwickler von Reitz sind überzeugt, dass der Drehzahlregelung die Zukunft gehört. erschienen in: Zement Kalk Gips International, Januar 2008 Text/Grafiken: Dipl.- Ing. Horst Benderoth, REITZ Konrad Reitz Ventilatoren GmbH & Co. KG Konrad-Reitz-Str. 1 D Höxter Tel.: Fax: Lorem Sit Month 00, 0000 REITZ Ventilatoren 01/2008 6

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