Energieeffiziente Absauganlagen und Filteranlagen in der Holzbe- und -verarbeitung

Moderne Absauganlagen besonders sparsam

Von modernen Absauganlagen erwartet man, dass sie besonders sparsam mit der elektrischen Energie umgehen. Im Hinblick auf die jetzige und zukünftig zu erwartende Energiepreissituation ist diese Forderung mehr als verständlich.

Grundsätzlich ist zu sagen, dass im wesentlichen 2 Faktoren den Energiebedarf einer Anlage bestimmen:

1. Die erforderliche Luftmenge in Verbindung mit dem Gesamtdruckbedarf.

2. Die Anlagenkonzeption.

 

1. Erforderliche Luftmenge und Gesamtdruckbedarf

Die größten Energieverbraucher einer Absauganlage sind die Ventilatoren (Bild 1). Der Leistungsbedarf eines Ventilators ermittelt sich bekanntlich aus den Faktoren:

  • Absaugvolumenstrom,
  • Gesamtdruckbedarf und
  • Wirkungsgrad.

Daraus ist ableitbar, welche Einzelziele im Rahmen der Anlagenplanung verfolgt werden müssen, um das Gesamtziel, eine möglichst hohe Energieeffizienz zu erreichen:

  • Die geförderte Absaugluftmenge sollte in allen Betriebsphasen dem jeweiligen Bedarf anpasst werden.
  • Der Gesamtdruckbedarf der Anlage sollte minimiert werden. Da die Maschinenwiderstände vorgegeben sind (Angaben der Maschinenhersteller), sind die Möglichkeiten auf die Dimensionierung des Rohrnetzes sowie der Rückluftanlage und die Auslegung der Filteranlage beschränkt.
  • Der Ventilator sollte optimal ausgelegt werden, um einen möglichst hohen Ventilatorwirkungsgrad zu erreichen. In Abhängigkeit von der Anlagenkonzeption werden Ventilatoren mit Wirkungsgraden zwischen 55 und 85 % eingesetzt. Alleine der Vergleich zwischen den Wirkungsgraden, d. h., bei gleicher Luftmenge und gleichem Gesamtdruck zeigt, dass die Wirkungsgradunterschiede einen Vorteil von 35 % ausmachen.

Die abzusaugende Gesamtluftmenge ergibt sich aus der Anzahl der aufgrund des Fertigungsprozesses gleichzeitig betriebenen Maschinen.

  • Ventilatoren
  • Filteranlage - Unterdruckfilteranlage

Zunächst wird anhand des Maschinenlayouts und den Angaben des Maschinenherstellers eine Liste mit den maschinenbezogenen Absaugvolumenströmen erstellt. Gemeinsam mit dem Betreiber wird die Anzahl der gleichzeitig abzusaugenden Maschinen festgelegt und anhand der Volumenstromliste die notwendige Absaugluftmenge errechnet. Eine kennzeichnende Größe ist dabei der Gleichzeitigkeitsfaktor, der das Verhältnis der tatsächlich notwendigen Absaugluftmenge zu der Gesamtluftmenge angibt. Aus der Praxis ist bekannt, dass die Gleichzeitigkeitsfaktoren zwischen 40 und 100 % liegen.

In vielen Fällen kann die Absauganlage phasenweise, bedingt durch die betrieblichen Abläufe, mit geringeren Luftmengen betrieben werden. Ausdrücken lässt sich dies durch den sogenannten „Belastungsgrad“. Der Belastungsgrad, der noch kein eingeführter  Fachbegriff in der Branche ist, gibt Auskunft über den Betriebsalltag, während der Gleichzeitigkeitsfaktor eine reine Planungsgröße darstellt.

Ein Aspekt, der ebenfalls Einfluss auf die zu fördernde Luftmenge nehmen kann, ist die Sicherstellung der Transportgeschwindigkeit im Rohrleitungssystem. Um die an den Maschinen abgesaugten Späne und Stäube gesichert durch das Rohrleitungssystem transportieren zu können, d. h., ohne dass es zu Materialablagerungen in einzelnen Rohrstrecken kommt, sind Mindestluftgeschwindigkeiten einzuhalten. Im Rahmen der Dimensionierung des Rohrnetzes ist dieser Aspekt zu überprüfen.

Die zweite, den Leistungsbedarf bestimmende Größe ist der Gesamtdruckbedarf. Nach der Festlegung der Rohrleitungsführung, der Auswahl der Filteranlage und der Planung des Rückluftsystems kann mit Hilfe der Rohrnetzberechnung der erforderliche Gesamtdruckbedarf ermittelt werden.

Die Druckverluste in den einzelnen Anlagenelementen sind im wesentlichen von den Luftgeschwindigkeiten und den Widerstandsbeiwerten bzw. dem Rohrreibungsbeiwert abhängig. Höhere Luftgeschwindigkeiten bedeuten einerseits kleinere Rohrleitungsdurchmesser bzw. Gerätegrößen, andererseits jedoch höhere Druckverluste. 

Es ist bekannt, dass eine Erhöhung der Luftgeschwindigkeit von z. B. 20 m/s auf 24 m/s gleichbedeutend ist mit einem Anstieg des Druckverlustes um 44 %. Der Energiebedarf erhöht sich sogar um ca. 73 %.

Im Rahmen der Anlagenplanung ist es deshalb erforderlich, das Rohrleitungssystem und die sonstigen Anlagenbauteile so zu dimensionieren, dass ein Optimum erreicht wird, wobei die Faktoren:

  • Investitionskosten,
  • Energiekosten,
  • Nutzungsflexibilität und
  • Betriebssicherheit.

als Variable anzusehen sind.

Mit der erforderlichen Gesamtluftmenge und dem Gesamtdruck liegen die Parameter zur Auswahl der Absaugventilatoren fest.

In Abhängigkeit von Anlagenkonzeption werden die Ventilatoren ausgelegt und der erforderliche Leistungsbedarf bestimmt.

2. Anlagenkonzeption

Die Anlagenkonzeption bestimmt im wesentlichen den Gesamtwirkungsgrad der Anlage und damit den Energiebedarf. Folgende anlagentechnische Merkmale sind dabei entscheidend:

  • Unterdruck- oder Überdrucktechnik,
  • geregelte oder ungeregelte Absaugleistung.

Es ist selbstredend, dass bei der Konzipierung der Anlage auch noch andere Faktoren eine Rolle spielen, wobei besonders zu nennen sind:

  • das Investitionsbudget,
  • die örtlichen Bedingungen,
  • der Materialanfall,
  • dezentrale oder zentrale Filteranordnung,
  • direkte oder indirekte Luftrückführung,
  • etc.  

Bezogen auf die Energieeffizienz einer Anlage sind jedoch die oben angegebenen Aspekte ausschlaggebend, so dass die restlichen Faktoren in diesem Artikel nicht weiter beleuchtet werden sollen.

- Überdruck- oder Unterdrucktechnik

Überdruck- bzw. Unterdruckanlagen unterscheiden sich in der Anordnung der Absaugventilatoren. Sind die Absaugventilatoren in Strömungsrichtung vor der Filteranlage angeordnet, so handelt es sich um eine Überdruckanlage. Bei der Anordnung nach der Filteranlage um eine Unterdruckanlage.

Bei den Überdruckanlagen werden je nach Aufgabenstellung Ventilatoren mit Wirkungsgraden zwischen 55 und 80 % eingesetzt. Die abzusaugenden Holzbearbeitungsmaschinen werden in der Regel in mehrere Gruppen aufgeteilt wobei die Zuordnung von den Arbeitsabläufen, den Luftmengen und den Maschinenwiderständen abhängt.

Der erforderliche Unterdruck für die einzelnen Holzbearbeitungsmaschinen kann z. T. erheblich variieren, so dass sich gruppenbezogen größere Unterschiede im Gesamtdruckbedarf ergeben können. Die Ventilatoren der einzelnen Absauggruppen werden anhand des Wertepaares Luftmenge/Gesamtdruckbedarf - wie erläutert - ausgelegt, wobei der Nennarbeitspunkt im oder im Bereich des Wirkungsgradsmaximums auf der Ventilatorkennlinie liegt. Die Anpassung des Ventilators an die Anlagendaten wird in der Regel durch eine entsprechende Auswahl des Übersetzungsverhältnisses des Riementriebes erreicht. Der Riementrieb stellt gegenüber dem Direktantrieb eine zusätzliche Verlustquelle dar, die bei ungünstigen Bedingungen zwischen 10 - 15 % liegen kann.

Überdruckanlagen können somit in einfacher Weise an den unterschiedlichen Druckbedarf einzelner Holzbearbeitungsmaschinen angepasst werden.

Werden Anlagenteile abweichend von diesem Nennarbeitspunkt betrieben, verändert sich der Energiebedarf nur im Rahmen des Drosseleffektes, der sich beim Schließen des Absauganschlusses einer nicht betriebenen Holzbearbeitungsmaschine ergibt. Für die weiterhin in Betrieb befindlichen Holzbearbeitungsmaschinen bedeutet dies, dass die zur Verfügung stehende Absaugleistung ansteigt und damit oberhalb der Nennabsaugleistung (Auslegungszustand) liegt. Diese überschüssige Absaugleistung führt zu einem überhöhten Energieverbrauch.

Bei den Unterdruckanlagen werden, wie bereits oben gesagt, die Absaugventilatoren nach der Filteranlage angeordnet. Bei dieser Anordnung herrschen für die Ventilatoren quasi Reinluftbedingungen, so dass geschlossene Hochleistungslaufräder, die mit rückwärts gekrümmten Schaufeln bestückt sind, eingesetzt werden können. Die erreichbaren Wirkungsgrade liegen bei 85 %. Vergleicht man die beiden Spitzenwerte der Wirkungsgrade von Überdruck- und Unterdruckanlagen, so ergibt sich ein Vorteil für die Unterdrucktechnik in der Größenordnung von ca. 6 %. 

Die Anpassung der Absaugleistung an den Bedarf erfolgt durch den Einsatz mehrerer Ventilatoren, die bedarfsabhängig zu- oder abgeschaltet werden. Die Feinheit der Anpassungen ist abhängig von der Anzahl der Ventilatoren.

Für die Dimensionierung des Rohrleitungssystems und die Auswahl der Absaugventilatoren gelten die gleichen Kriterien wie bei der Überdrucktechnik.

Ein größerer Aufwand entsteht, wenn die Maschinenwiderstände sehr stark variieren. Dieser Aspekt ist bei der Planung entsprechend zu berücksichtigen. Im Extremfall werden Stützventilatoren eingesetzt, die den höheren Druckbedarf kompensieren, so dass der Gesamtdruckbedarf für das Gesamtsystem auf einem ähnlichen Niveau liegt. Der der Filteranlage nachgeschaltete Absaugventilator kann damit bezogen auf den Gesamtdruck auf das geringere Niveau ausgelegt werden.

 

- Ungeregelte oder geregelte Absaugleistung

 

Die Möglichkeiten der Anpassung der Absaugleistung an den Bedarf durch den Einsatz mehrerer Ventilatoren wurden bei den Erläuterungen der Über- bzw. Unterdrucktechnik bereits dargestellt.

Es ist sicherlich leicht verständlich, dass der größte Einspareffekt erzielbar ist, wenn die Absaugleistung kontinuierlich an den jeweiligen Bedarf angepasst wird. Diese Möglichkeit besteht in fast idealer Weise mit drehzahlgeregelten Absaugventilatoren.

Durch leistungsfähige und mit Normmotoren kombinierbare Frequenzumformer lässt sich diese Funktionalität erreichen. Über den Frequenzumformer wird durch die Veränderung der Ventilatordrehzahl die geförderte Luftmenge sowie die zugehörige Druckerhöhung geregelt. Das Regelungsprinzip basiert z. B. auf einer Druckkonstanthaltung an einem festgelegten Ort im Fördersystem. Über einen Druckmesssensor wird der statische Druck am Messort bestimmt und an den in dem Frequenzumformer integrierten PID-Regler weitergegeben. Der PID-Regler wertet das Signal aus und führt einen Soll-Ist-Vergleich durch. In Abhängigkeit von der Regelabweichung wird der Ventilatormotor über den Frequenzumrichter in seiner Drehzahl verändert, so dass das als Sollwert vorgegebene Druckniveau erreicht wird.

Wie bereits angesprochen, müssen das Rohrleitungssystem und der Ventilator auf die Bedingungen dieses Betriebes abgestimmt sein, um das Einsparpotential des jeweiligen Anwendungsfalles in vollem Umfang erschließen zu können. Dabei sind die folgenden Punkte zu beachten:

  • die Einhaltung der Mindest-Fördergeschwindigkeiten zur Vermeidung von Ablagerungen in den Rohrleitungen,
  • Auslegung der Ventilatoren in einem bestimmten Kennlinienbereich,
  • Druckabgleich des Rohrsystems (z. B. durch Einsatz von Stützventilatoren),
  • etc.

Ein weiterer Vorteil der Drehzahlregelung ist die Konstanz der Absaugleistung unabhängig von den sich ändernden Betriebsbedingungen der Anlage.

Während des Betriebes von Filteranlagen, bzw. nach längeren Betriebszeiten, ändern sich die Widerstände der Filterelemente, so dass es innerhalb eines Betriebszyklusses zu Volumenstromänderungen kommt, bzw. längerfristig zu einer stetigen Reduzierung des abgesaugten Volumenstromes. Bei der Anlagenplanung sind diese Einflüsse zu berücksichtigen, indem bei den ungeregelten Anlagen entsprechende Reserven bei den Ventilatoren vorgesehen werden müssen. Das bedeutet, dass solche Anlage im Mittel mit einem Leistungsüberschuss betrieben werden, was einen höheren Energiebedarf zur Folge hat.

Bei drehzahlgeregelten Anlagen werden diese Nachteile vermieden, indem durch die bereits erwähnte Drucküberwachung in Verbindung mit der Drehzahlregelung fortlaufend der Betrieb den aktuellen Bedingungen angepasst wird. Der in einem Betriebszyklus ansteigende Widerstand der Filterelemente wird durch die Anhebung der Ventilatordrehzahl ausgeglichen, so dass der abgesaugte Volumenstrom an den einzelnen Bearbeitungsmaschinen konstant bleibt. Umgekehrt wird nach der Abreinigung der Filterelemente und dem damit geringeren Anlagenwiderstand die Drehzahl des Absaugventilators reduziert, so dass nicht benötigte Leistungsüberschüsse vermieden werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es für jeden Einzelfall bei der Vielfalt der Aufgabenstellungen kein Pauschalkonzept gibt, mit dem das angestrebte Ziel einer möglichst hohen Energieeffizienz erreicht wird. Die vorherigen Ausführungen sollten gezeigt haben, dass abhängig vom Einzelfall sowohl eine Überdruckanlage, aufgeteilt in mehrere Gruppen, oder eine Unterdruckanlage mit einem oder mehreren Absaugventilatoren, die beste Lösung im Sinne des Kunden sein können.

In sehr vielen Fällen, insbesondere mit stark schwankenden Belastungsgraden, ist die drehzahlgeregelte Unterdruckanlage bezogen auf die Energieeffizienz unschlagbar. Stromeinsparungen von bis zu 50 % sind möglich, bei weiteren nicht unerheblichen Vorteilen:

  • geringere Wärmeverluste, insbesondere bei Abluftbetrieb,
  • geringerer Verschleiß und
  • reduzierte Geräuschemissionen,
  • geringeres Gefährdungspotential.

In dem nachfolgend beschriebenen Anwendungsfall wurde die Analyse des Bedarfsfalles mit dem Ergebnis abgeschlossen, dass eine Unterdruckfilteranlage mit drehzahlgeregelten Absaugventilatoren (Kaskadenschaltung) das optimale Anlagenkonzept darstellt (siehe Abbildung).

Insgesamt sind an die Absauganlage 27 Holzbearbeitungsmaschinen über pneumatisch angetriebene Absperrschieber angeschlossen. Die Aufsummierung der Luftmenge der einzelnen Maschinen ergibt eine Gesamtluftmenge von 90.500 m³/h. Mit dem Kunden wurde festgelegt, dass die Anlage für den gleichzeitigen Betrieb von max. 10 Maschinen ausgelegt werden soll. Für die 10 Maschinen ergibt sich aufsummiert eine Luftmenge von 42.000 m³/h. Das bedeutet einen Gleichzeitigkeitsfaktor von 46 %.

Der Anschluss der einzelnen Maschinen erfolgt entweder einzeln oder gruppenweise zusammengefasst an eine in der Hallenmitte angeordnete Hauptleitung, die angepasst an die Querschnitte der Maschinen-Anschlussleistungen und den entsprechenden Luftmengen in mehreren Stufen erweitert wird.

Das abgesaugte Späne-Staub-Gemisch wird in einer Kompaktfilteranlage (Bild 2) abgeschieden. Die Filteranlage kann kontinuierlich gereinigt werden. Die Abreinigung der Filterschläuche erfolgt über 2 im Reinluftbereich angeordnete Spülluftventilatoren.

Die Filterfläche beträgt 500 m², so dass sich bei der Auslegungsluftmenge (Reserve 9000 m³/h) von 51.000 m³/h eine Filterflächenbelastung von 102 m³/hm² ergibt.

Dem Filtergerät nachgeschaltet - und damit reinluftseitig angeordnet - sind 2 Absaugventilatoren, die schallisoliert eingehaust sind, mit integrierten Schalldämpfern auf der Ausblasseite. Einer der beiden Ventilatoren wird über einen Frequenzumformer drehzahlgeregelt. Durch die eingesetzte Kaskadenschaltung wird der zweite Ventilator in Abhängigkeit von dem Bedarf an Absaugleistung zu- oder abgeschaltet.

Durch die Drehzahlregelung des einen Ventilators kann der für den Kunden relevante Bedarfsbereich komplett abgedeckt werden.

Die Filteranlage enthält eine Austragung mit waagerecht angeordneter Schnecke, die über einen Zwangsvorschub verfügt. Damit kann der Betrieb der Transportanlage im Hinblick auf einen möglichst geringen Energiebedarf optimiert werden.

Wir stellen aus:

LIGNA (Hannover, vom 18. - 22.05.2009) in Halle 21, Stand-Nr. B63.

 

SPÄNEX GmbH

Luft-, Energie- und Umwelttechnik

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