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Verfahrenstechnik 7-8/2020

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Verfahrenstechnik 7-8/2020

TOP-THEMA I TITEL

TOP-THEMA I TITEL Mechanik schlägt Elektronik Zähe Massen so effizient wie CIP-Medien fördern Die Installation eines zusätzlichen Getriebes in einer Pumpe scheint auf den ersten Blick nicht dringend geboten zu sein – man denkt an zusätzliche Kosten und den größeren Wartungs aufwand. Weit gefehlt: Das Zusatzgetriebe für eine Doppelschraubenpumpe verschafft dem Betreiber große technische und wirtschaftliche Vorteile. Autoren: René Linck, Produktmanager, Torben Hahn, Entwicklung und Konstruktion, beide Fristam Pumpen Schaumburg GmbH, Stadthagen Konzentrieren sich Pumpenhersteller derzeit primär auf die digitale Transformation? Clouds und Apps spielen vielfach eine größere Rolle als hydraulische oder mechanische Fragestellungen. Dass auch die klassische Ingenieurzunft nach wie vor punkten kann, zeigt diese Lösung von Fristam: FDS TSG-Pumpen fördern hochviskose Medien wie auch dünnflüssige CIP- Medien deutlich effizienter – allein durch eine Innovation im Synchrongetriebe. Startpunkt war die Entwicklung und erfolgreiche Markteinführung von Doppelschraubenpumpen der Baureihe FDS. Als Verdrängerpumpe fördert sie besonders gut hochviskose Medien (bis hin zu nicht mehr fließfähigen Substanzen und sogar Produkte mit Lufteinschlüssen). Und weil sie konstruktiv in der Lage ist, auch hohe Drehzahlen bis 3 600 min -1 zu realisieren, fördert die Pumpe zudem große Mengen niedrigviskoser Medien (Wasser, Reinigungslösungen). Eine perfekte Lösung für Betreiber in der Food-Industrie: Macht eine FDS-Pumpe doch den Einsatz einer zusätzlichen CIP- Pumpe zur Reinigung der Anlage entbehrlich (2-in-1-Lösung). Funktional ist der Einsatz in der Produktion und im CIP-Kreislauf problemlos möglich; unter Effizienzgesichtspunkten ist das aber eher suboptimal: Als Produktionspumpe für hochviskose Medien arbeiten die Aggregate eher mit kleinen Fördervolumina und niedriger Drehzahl, als CIP-Pumpe sind größere Volumina und Drehzahlen üblich bzw. erforderlich. Die klassische Antriebslösung, also die Kombination aus Elektromotor und Frequenzumrichter, hat bei diesen Anforderungen grundsätzliche Nachteile und schränkt den machbaren Drehzahlbereich der Pumpe ein. Sollte es aufgrund der anwendungsbezogenen Anforderung passieren, dass der Motor unter 10 Hz betrieben werden muss, ist zusätzlich die Regelbarkeit im unteren Drehzahlbereich weniger zufriedenstellend; dies kann zu Drehzahlveränderungen führen. Deshalb werden bisher Servomotoren eingesetzt. Damit steht ein größerer Drehzahlbereich als bei Standard-Elektromotoren zur Verfügung. Allerdings verlangt der Einsatz von Servomotoren auch besondere Frequenzumformer und eine sehr stabile Netzversorgung. Zudem sind Servomotoren komplex und teuer in der Inbetriebnahme. Die neue Lösung von Fristam: der Einsatz einer zusätzlichen Getriebeübersetzung. Diese als „Twin Speed Gearbox“ (TSG) bezeichnete Lösung ist auch nachträglich bei bereits ausgelieferten und installierten FDS-Pumpen zu integrieren. Signifikant höherer Wirkungsgrad Das TSG-Getriebe bietet die Möglichkeit, rein mechanisch die große Drehzahlbandbreite der FDS von 0–3 600 min -1 optimiert auszunutzen. Mithilfe einer von der Eingangsdrehrichtung abhängigen Übersetzung verändert das Zusatzgetriebe die Pumpendrehzahl, nicht aber die Förderrichtung der Pumpe. Konkret: Schaltet der Betreiber auf Linkslauf, dreht die Pumpe mit halber Motordrehzahl (Produktions- Modus). Schaltet er hingegen auf Rechtslauf, arbeitet die Pumpe mit bis zur zweifachen Motordrehzahl (CIP-Modus). In Kombination mit einem Standard- Frequenzumformer kann der Betreiber auf diese Weise eine Drehzahl-Bandbreite von 1–30 abfahren – das ist ein Novum. 24 VERFAHRENSTECHNIK 07-08/2020 www.verfahrenstechnik.de

TITEL I TOP-THEMA Selbst in Anwendungen, bei denen lediglich Drehzahlspannen im Bereich von nur 1:10 gefordert sind, bietet das Zusatzgetriebe dem Betreiber attraktive Vorteile: Zum einen ermöglicht die TSG eine Reduzierung der installierten Antriebsleistung um bis zu zwei Motorbaugrößen. Zum anderen führt das Zusatzgetriebe zu einem effizienteren Betrieb, weil der Motor immer nahe an oder in seinem optimalen Frequenzbereich betrieben werden kann. Das verbessert den elektrischen Wirkungsgrad um bis zu 20 %. Der Anstoß zu dieser Produktentwicklung kam aus dem Markt, fragen doch immer mehr Betreiber (z. B. in der Süß- und Backwarenherstellung) besonders leistungsfähige Pumpen an, die auch große Reinigungsmengen bewältigen müssen. Die Herausforderung hier: Weil die Produkte vielfach extrem viskos sind, müssen die Rohrleitungsquerschnitte verhältnismäßig groß ausfallen. Dies hat zur Folge, dass beim CIP-Betrieb beträchtliche Reinigungsmengen gefahren werden müssen. Mit der Baureihe FDS besteht die Möglichkeit, die Produktionspumpe auch als Reinigungspumpe einsetzen zu können. Branchenfokus Sweets Kunde: Ein in Europa führender Süßwarenhersteller mit großer Anzahl an Doppelschraubenpumpen im deutschen Stammwerk. Hier fördert die Pumpe hochviskose Karamellmassen. Das Produkt weist eine Viskosität zwischen 7 500 und 19 000 mPas auf; die Fördermenge liegt bei 3–5 m³/h bei einem Druck von 16 bar. In der CIP- Reinigung mit der gleichen Pumpe sind aufgrund der großen Rohrleitungsdurchmesser – diese sind erforderlich, um Karamell überhaupt fördern zu können – sehr η 100% 80% 60% 40% 20% Effizienzbeispiel einer Motor-Frequenzumrichter-Kombination 0% 0 Hz 25 Hz 50 Hz 75 Hz 100 Hz Motorfrequenz hohe Fördermengen zu bewältigen: 40 bis max. 57 m³/h bei einem Förderdruck von 3 bar. Das bedeutet: Soll für beide Einsätze die gleiche Pumpe eingesetzt werden, muss diese eine Drehzahlspanne zwischen 175 und 2 650 min -1 bewältigen können. Ohne das TSG-Getriebe würde ein Standard-Antriebsstrang zwischen 5 und 7 Hz (Produktion) und 90 Hz (Reinigung) arbeiten müssen – das schafft nur ein 30-kW-Elektromotor mit Frequenzumrichter und Fremdlüfter. Weil ein prozesssicherer Produktionsbetrieb um 5 Hz kaum möglich ist, wäre wohl aus Prozessund Sicherheitsüberlegungen der Wechsel zu einer Servomotor-Lösung unvermeidlich. Wie oben bereits beschrieben ist diese Möglichkeit teurer in der Investition und aufwändiger im Betrieb. Die technisch und wirtschaftlich eindeutig η Steigerung mit TSG niedriger η ohne TSG 25% Last 100% Last 01 Unterschiede des Wirkungsgrades mit und ohne TSG-Getriebe in der Betrachtung einer Motor-Frequenzumrichter-Kombination bessere Lösung ist hier die FDS-Pumpe mit TSG-Getriebe: Jetzt ist ein 8-poliger 11-kW-Normmotor mit dem entsprechenden Umrichter ausreichend; im Produktions-Modus arbeitet die Pumpe im Frequenzbereich zwischen 25 und 40 Hz, im CIP-Modus bei 90 Hz. Ergebnis: Die TSG-Option ermöglicht den Verzicht auf Servotechnik und den Einsatz eines deutlich kleineren und günstigeren Antriebsstrangs. Unter den Annahmen: Zweischichtbetrieb, 14 h Produktion/Tag, 2 h CIP/Tag und 220 Arbeitstage/Jahr (also eher konservativ gerechnet), einem Strompreis von 25 ct/kWh und auf Basis des deutschen Energiemixes von 0,527 kg CO 2 /kWh kommt dieser Kunde jährlich zu diesen Einsparungen: 10 134 kWh, 2 533 EUR bzw. 5 341 kg CO 2 . 02 Die Doppelschraubenpumpe FDS bewältigt extreme Viskositäten ebenso wie hohe Differenzdrücke und Temperaturen 03 Doppelschraubenpumpe FDS mit angeflanschtem Zusatzgetriebe TSG www.verfahrenstechnik.de VERFAHRENSTECHNIK 07-08/2020 25

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Verfahrenstechnik Handbuch Prozesstechnologie 2019