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Frequenzregelung für KSS-Pumpen - lohnt sich das?

Knoll E-Pass sorgt in einer Stunde für Klarheit


Energiesparen ist eines der bestimmenden Themen im gesamten Bereich der Metallbearbeitung. Doch Veränderungen werden nur vorgenommen, wenn wirtschaftliche Vorteile dahinter stehen. Mit dem von Knoll Maschinenbau, Bad Saulgau, entwickelten E-Pass lassen sich KSS-Anlagen an Maschinen im laufenden Betrieb prüfen. Nach einer Stunde weiß der Anwender, ob es sich lohnt, für seine Hochdruckpumpe eine Frequenzregelung nachzurüsten.


Knoll Maschinenbau, Spezialist für das Fördern, Filtern und Pumpen von KSS und Spänen, legt bei seinen Kühlschmierstoff-Systemen großes Augenmerk auf geringen Energieverbrauch. Eigene Untersuchungen und Recherchen haben ein großes Potential an einsparbarer Energie im gesamten KSS-Management ergeben, das sich durch exakte Auslegung und entsprechende Komponenten erschließen lässt. Die Amortisationszeiten liegen teilweise bei nur einem Jahr.


Ein wesentliches Einsparpotenzial findet sich bei den Pumpen, die zur Hochdruckversorgung von Werkzeugmaschinen mit Kühlschmierstoffen eingesetzt werden. Die Knoll KTS-Schraubenspindelpumpe ist eine solche selbstansaugende Verdrängerpumpe. Sie zeichnet sich durch geringe Pulsation, hohen Wirkungsgrad und lange Lebensdauer aus. Am wenigsten Energie verbraucht sie, wenn sie über eine Frequenzregelung verfügt - bei Knoll PQ-Tronic genannt - die für variablen Druck (P) und Durchfluss (Q) bei optimaler Drehzahleinstellung sorgt. Gegenüber einer Pumpe mit fest eingestelltem Druckbegrenzungsventil kann der Anwender so bis zu 70 % des Energieverbrauchs einsparen.


Elektronische Regelung spart Energie und schont die Pumpe


Durch den frequenzgeregelten Antrieb der Pumpe erfolgt außerdem ein geringerer Wärmeeintrag in den Kühlschmierstoff und in die Umgebungsluft. Zusätzlich wird die Pumpe durch den optimalen Betrieb geschont, wodurch sich ihre Standzeit erhöht.


Die Vorteile einer elektronischen Regelung von Druck und Volumenstrom können sich Anwender nicht nur bei Neuanlagen zueigen machen. Auch bestehende KSS-Anlagen lassen sich mit Frequenzumrichtern nachrüsten. Die Frage ist nur, ob sich das wirtschaftlich lohnt. Denn die Einsparung hängt von verschiedenen Faktoren ab: zum Beispiel von der Maschinen- bzw. Pumpenlaufzeit, von der Art der Bearbeitung, von den eingesetzten Werkzeugen, vom Strompreis und so weiter. Heiko Stern, Produktmanager Schraubenspindelpumpen bei Knoll, kennt die Problematik genau: "Die Produktionsprozesse sind in den meisten Fällen komplex und bei jedem Unternehmen individuell gelöst. So hatten wir bisher das Problem, den jeweiligen Prozess exakt zu beurteilen, um eine handfeste Amortisationsberechnung erstellen zu können."


Bisher - denn Probleme sind im Hause Knoll dazu da, gelöst zu werden. In diesem Fall übernahm das federführend Heiko Sterns Service-Kollege Jochen Blersch. Er entwickelte den sogenannten Knoll E-Pass, eine Methode, mit der sich an KSS-Anlagen in kürzester Zeit und weitgehend in laufendem Betrieb die wichtigen Daten ermitteln lassen. Eine Software berechnet dann, wie lange es dauert, bis sich eine nachgerüstete Frequenzregelung amortisiert.


Fragebogen als Vortest


Jochen Blersch weist jedoch auf eine Vorstufe zum E-Pass hin: "Aus unserer Erfahrung heraus haben wir einen einfachen Fünf-Punkte-Fragebogen entwickelt, über den sich ermitteln lässt, ob sich der E-Pass überhaupt lohnt. Alle Fragen lassen sich mit Ja und Nein beantworten. Ab dreimal Ja lohnt sich der Test, bei fünf Ja kann man auch ohne Test sicher sein, dass eine Nachrüstung wirtschaftlich ist."


Lohnende Beispiele für die Frequenzregelung finden sich häufig in der Zerspanung von Aludruckguss-Teilen. Heiko Stern erklärt: "Hier sind vielerlei Werkzeuge im Einsatz, die auf Hochdruckinnenkühlung angewiesen sind. Der benötigte Druck wechselt in Abhängigkeit vom Werkzeug mit entsprechender Bearbeitung. Außerdem gibt es viele Unternehmen, die übers ganze Jahr kontinuierlich gleiche Werkstücke oder Werkstückfamilien bearbeiten."


Die Betriebsdauer der Hochdruckpumpe ist nämlich ein wichtiger Faktor, um eine in den meisten Fällen angestrebte Amortisationszeit von etwa 12 bis 24 Monaten zu erreichen. Im Idealfall sollte die Maschine daher dreischichtig laufen, also 6000 bis 8000 Betriebsstunden pro Jahr erreichen. Die Auslegung der Pumpe orientiert sich immer an dem Werkzeug, das am meisten Druck und Volumenstrom benötigt. Kleinere Werkzeuge, Bohrer zum Beispiel, kommen mit deutlich weniger KSS-Pumpenleistung aus, können also mit niedrigerer Drehzahl optimal versorgt werden. Das spart bei einer frequenzgeregelten Pumpe Energie, denn es gilt die Faustregel: halbe Drehzahl entspricht halbem kW-Verbrauch. Bei einem fest eingestellten Druckbegrenzungsventil geht diese Energie in Wärme über und verloren.


E-Pass rechnet mit Praxiswerten


Wenn sich also durch den Fragebogen der Knoll E-Pass empfiehlt, kommt ein Pumpenspezialist zum Anwender vor Ort - an eine Maschine, die ein typisches Serienwerkstück bearbeitet. Für etwa 15 Minuten muss diese stillgesetzt werden, um eine Messturbine zu installieren. Zusätzlich werden in den Rechner noch erforderliche Daten wie die Betriebsstunden, die Strom- sowie die Investitionskosten für die Nachrüstung eingegeben. Die Turbine misst dann während eines kompletten Bearbeitungszyklus den tatsächlichen KSS-Durchfluss zur Maschine und den jeweiligen Druck.


Nach dem Messvorgang startet die Berechnung der Differenz zwischen Nenndrehzahl und Festdrehzahl, woraus sich der größte Anteil der Energieeinsparung ergibt. Sollte auch ein Kühlaggregat an die Maschine angeschlossen sein oder die Halle gekühlt werden, berücksichtigt das Programm auch die durch Frequenzregelung eingesparte Kühlleistung.


Geringer Aufwand - eindeutiges Ergebnis


Schon wenige Minuten nach dem Messvorgang liegt ein Ausdruck vor, der exakte Zahlen zur möglichen Energieeinsparung und der Amortisationszeit liefert. Jochen Blersch weist noch auf einen Zusatznutzen des Messvorgangs hin: "Über die erfassten Daten lässt sich auch der Zustand der Hochdruckpumpe bewerten, die gegebenenfalls beim Nachrüsten des Frequenzreglers ausgetauscht werden kann."


Der Aufwand für die Nachrüstung eines Frequenzumrichters ist überschaubar. Ist im Schaltschrank noch Platz vorhanden, wird er dort untergebracht. Ansonsten findet sich immer an der Maschine eine Stelle, wo die entsprechende Halterung angebracht werden kann.

 

Drehzahlregelung PQ-Tronic


Die Knoll PQ-Tronic ermöglicht die Vorgabe von beliebigen Drücken im Bereich von 0 bis 150 bar. Bei diesem System regelt sich die Pumpenleistung automatisch. Durch die Frequenzregelung des Antriebsmotors ändert sich die Drehzahl des Pumpenaggregates (bis zu 4500 min-1) und damit die Leistung. Ein Drucksensor in Verbindung mit einer elektronischen PID-Regelung garantiert den vorgeschriebenen Druck (Sollwert) unabhängig von der Verbrauchsmenge. Daraus ergeben sich zahlreiche Vorteile:

  • Energieeinsparung zwischen 50% und 70%
  • Druckvorwahl über M-Funktion
  • Pulsationsarme Förderung
  • Weiche Starts und Stopps
  • Keine Anlaufstromspitzen
  • Geräuschminimierung durch Drehzahlanpassung
  • Verschleißminimierung
  • Reduzierter Wärmeeintrag ins Medium

 

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Es lohnt sich, das Kühlschmierstoff-Management auf Energiesparmöglichkeiten zu untersuchen.


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Lebenszykluskosten von Pumpen


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Die KTS-Schraubenspindelpumpe von Knoll zum Beispiel ist eine selbstansaugende Verdrängerpumpe, die sich durch geringe Pulsation, hohen Wirkungsgrad und lange Lebensdauer auszeichnet.


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Ein lohnendes Beispiel für die Frequenzregelung bei KSS-Pumpen ist die Bearbeitung solcher Getriebegehäuse. Bild: GROB-WERKE GmbH & Co. KG, Mindelheim


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Auch beim Zerspanen eines solchen Zylinderkurbelgehäuses lohnt sich der Einsatz einer frequenzgeregelten KSS-Pumpe. Bild: MAG IAS GmbH, Eislingen/Fils