Energieeffizienz von SCHMETZ Vakuum-Ofenanlagen - GreenTech ...

Energieeffizienz von
SCHMETZ Vakuum-Ofenanlagen
“Die umweltfreundlichste und sicherste Kilowattstunde ist die,
die nicht verbraucht wird“
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Aufgrund der immer deutlicher werdenden ökologischen Veränderungen der letzten
Jahrzehnte ist der Umweltschutz heute neben der Produktqualität sowie einem
angemessenen Preis-Leistungsverhältnis zu einem wettbewerbsbestimmenden
Faktor geworden.
Dabei muss Umweltschutz aber nicht gleichzeitig auch höhere Kosten oder Verzicht
auf Produktivität bedeuten. Ganz im Gegenteil: insbesondere vor dem Hintergrund
ständig steigender Energiekosten lässt sich mit einer Steigerung der Energieeffizienz
von Industrie-Ofenanlagen viel Energie einsparen. Hier zahlen sich Investitionen
doppelt aus: für die Betriebskosten und für die Umwelt.
Schon immer zählte es zur SCHMETZ-Philosophie, unseren Kunden mit neuen und
innovativen Anlagenkonzepten höchstmögliche Leistung an Produkten und
Dienstleistungen zu bieten.
Dass wir dabei aber nicht nur über Umweltschutz reden, sondern vielmehr auch
handeln, zeigt unser bereits 2006 implementiertes und durch den TÜV RHEINLAND
zertifiziertes Umweltmanagementsystem nach DIN ISO 14001:2004 sowie unser
neuestes Konzept System *eSS* zur Steigerung der Energieeffizienz von
SCHMETZ-Wärmebehandlungsanlagen.
Die Thematik Energieeffizienz behandeln wir auch in Zusammenarbeit mit dem
Verein Deutscher Maschinen- und Anlagenbauer. So hat der VDMA einen Leitfaden
„Energieeffizienz von Thermoprozessanlagen“ herausgegeben. Dieser Leitfaden
wurde von einem Arbeitskreis aus Mitgliedern des Fachverbandes
Thermoprozesstechnik im VDMA und der Forschungsgemeinschaft Industrieofenbau
(FOGI) erarbeitet. Der Leitfaden soll sowohl dem Planer als auch dem Betreiber von
Thermoprozessanlagen Potentiale und Anregungen zur Energieeffizienzsteigerung
geben.“
In diesem Arbeitskreis und auch im Fachausschuss 16 „Energieeffizienz“ der AWT
wirkt die SCHMETZ GmbH mit.
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Die Wärmebehandlungsindustrie
Das Thema Energieeffizienz rückt zur Zeit nicht nur durch die Überprüfung möglicher
Einsparpotentiale während der Finanz- und Wirtschaftskrise in den Mittelpunkt,
sondern auch durch neue Gesetzgebungen. So durchläuft momentan eine neue
„Energy using Products“-Richtlinie (EuP-Richtlinie) der Europäischen Union das
Genehmigungsverfahren. Diese wird dann neben der bereits bestehenden Öko-
Design-Richtlinie 2005/32 EG für Hersteller von Thermoprozessanlagen in Zukunft
einzuhalten sein.
Der vorliegende Leitfaden informiert Sie über die Anlagenausstattung der SCHMETZ
Vakuumöfen sowie die energiesparenden Module. Hierbei stellen wir Ihnen auch dar,
dass man sich bei SCHMETZ schon seit längerem intensiv mit der Thematik
Energieeffizienz befasst.
Das SCHMETZ System *2R*
Bereits 1983 entwickelten wir die erste Anlage mit Wechselkühlung, das System
*2R*. Durch das wechselseitige Kühlen (Durchströmen) konnten die Kühlzeiten und
damit der Energieeinsatz bei gleichzeitig verringertem Verzug an den Bauteilen in der
Charge reduziert werden.
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Das System *FUTUR*
1987 haben wir als erstes Unternehmen, eine Heißgasumwälzung in den Vakuum-
Härteofen integriert. Das Konvektionssystem *FUTUR* hat sich seitdem zu einer
Standardeinrichtung im Vakuumhärteofen entwickelt. Durch die Heißgasumwälzung
im Temperaturbereich bis 850°C konnten die Aufheiz- und somit auch die
Chargenzeiten bei verbesserter Temperaturverteilung erheblich verkürzt werden.
Dies wiederum führt dazu, dass weniger Energie verbraucht wird.
Das System *2PLUS*
1995 haben wir den Zweikammer-Vakuumofen, unser System *2PLUS* mit separater
Abschreckkammer, entwickelt.
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Durch Verdoppelung der Abschreckgeschwindigkeit dieses Ofens können viele
Stähle, die ausschließlich im Öl- oder Salzbad gehärtet werden konnten, nun im
umweltfreundlichen Vakuumofen mit Gashochdruckabschreckung vergütet werden.
Die Bauweise mit Heizkammer und separater Abschreckkammer ermöglicht durch
die kalte Abschreckkammer beim Kühlen um bis zu 50% verkürzte Kühlzeiten
gegenüber einem Einkammerofen und durch Nutzung der Restwärme in der
Heizkammer zum anschließenden Anlassprozess kann die Zykluszeit und der
Energieverbrauch deutlich reduziert werden.
Die SCHMETZ Philosophie
Durch das SCHMETZ-Modulsystem erhält der Kunde einen auf seine Bedürfnisse
und Anwendungen maßgeschneiderten Ofen. So wird die Anlagekonfiguration schon
während der Projektierungsphase in enger Zusammenarbeit mit dem Kunden auf die
geplante Anwendung ausgelegt. Durch die bestmögliche Dimensionierung der
Komponenten wird die optimale Anlage für die geplanten Prozesse gebaut.
Hierdurch haben Sie die Möglichkeit, Ihre Wärmebehandlung wirtschaftlicher
durchzuführen und auch in der heutigen Zeit bei hartem Wettbewerb zu bestehen!
Als laufende Kosten fallen während des Betriebes die Versorgungsmedien an. Hierzu
zählen Gas, Wasser und Strom sowie Kosten für Instandhaltung und Wartung. Durch
die rechtzeitige und regelmäßige Wartung Ihrer Anlage können Sie die
Produktionsqualität auf höchstem Niveau halten und vor allem Fehlfunktionen und
Stillstände ausschließen.
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Der Vakuum-Wärmebehandlungsprozess
An dem Ablauf eines Vakuum-Wärmebehandlungsprozesses wird detailliert gezeigt,
wann und wie mit einem SCHMETZ Vakuumofen der Energieeinsatz sinnvoll
reduziert wird:
Das Evakuieren
Nach dem Einbringen der Charge ist der erste Prozessschritt bei der Vakuum-
Wärmebehandlung das Evakuieren des Ofenkessels. Dafür wird meistens ein
mehrstufiger mechanischer Vakuum-Pumpenstand eingesetzt. Hierbei ist es möglich,
eine drehzahlgesteuerte Wälzkolbenpumpe einzusetzen. Durch die stufenlose
Drehzahlregelung der Wälzkolbenpumpe mit einem Frequenzumrichter kann der
erforderliche Vakuumwert in der Anlage gesteuert werden, während bei einer nicht
geregelten Pumpe diese immer mit maximaler Drehzahl läuft. Der Stromverbrauch
der Wälzkolbenpumpe wird durch Einsatz des Frequenzumrichters reduziert. Darüber
hinaus kann mit dieser Lösung der Teildruckbetrieb optimal geregelt und damit der
Schutzgasverbrauch reduziert werden.
Eine Reduzierung der Entsorgung von gefährlichen Stoffen, hier die Altölentsorgung,
ist durch den Einsatz von trockenlaufenden Vorvakuumpumpen durch den Entfall
des Öl- und Filterwechsels möglich. Gleichzeitig werden hierdurch die
Stillstandzeiten und die Instandhaltungskosten der Anlage reduziert.
Bei Hochvakuumprozessen werden überwiegend Öl-Diffusionspumpen eingesetzt.
Durch ein geregeltes Steuern der Heizleistung an Öl-Diffusionspumpen wird der
Energieeinsatz zum Heizen des Ölbades reduziert. Bei größeren Öl-
Diffusionspumpen im Dauerbetrieb lassen sich hier erhebliche Einsparungen
erzielen.
Die Evakuierungszeit bis zum Einschalten der Heizung wird grundsätzlich bei allen
SCHMETZ-Anlagen durch die äußerst kompakte Bauweise des Ofenkessels
reduziert, da weniger Ofenkesselvolumen abgesaugt werden muss. Bei Anlagen, die
im Konvektionsbetrieb arbeiten (zum Beispiel bei Anlassprozessen), wird nach Ablauf
einer Nachlaufzeit die Wälzkolbenpumpe abgeschaltet, um Energie einzusparen.
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Das Heizen und Halten
Für den Aufheizprozess in Vakuum-Kammeröfen ist ein beträchtlicher Teil der
zugeführten Energie erforderlich, um die Totmassen der Heizkammer zu erwärmen.
Je größer die Masse der Heizkammer und Charge ist, desto mehr Energie muss zur
Erwärmung zugeführt werden. Ziel ist es natürlich, innerhalb der Zyklen möglichst
viele Bauteile zu fahren. Die Massenreduzierung muss sich also auf die
Chargiermittel und konstruktiven Merkmale der Heizkammer beschränken.
Daher sind alle Bauteile der Heizung funktions- und gewichtsoptimiert. Die
Heizstäbe und Heizungsbrücken sind möglichst leicht ausgelegt, ohne aber Risiken
bei der Festigkeit und Lebensdauer einzugehen.
Während der Aufheiz- und Temperaturhaltephasen muss zugeführte elektrische
Heizenergie Leerverluste ausgleichen. Diese Leerverluste der Heizkammer werden
durch einen konstruktiv möglichst dichten Isolierungsaufbau reduziert. Als
Isolationswerkstoff der Heizkammer von Vakuumöfen wird vornehmlich
Graphitmaterial wegen der hohen Temperaturbeständigkeit und Formstabilität
eingesetzt. Durch den zusätzlichen Einsatz einer verstärkten Isolierung ergeben
sich noch bessere Isolationswerte. Durch eine entsprechende Nachrüstung der
SCHMETZ Vakuumöfen liegt hier auch bei vielen älteren Anlagen ein großes
Einsparpotential!
Die Gasverteilung beim Kühlen
Um in Kammerofenanlagen die Kühlgleichmäßigkeit über den gesamten Nutzraum
zu gewährleisten, werden Gasverteilerplatten aus Hartgraphit oder CFC eingesetzt.
Bei den Gasverteilerplatten können wir heute, anstelle der bisher üblichen
Hartgraphitplatten, eine neu entwickelte isolierte Düsenplatte einsetzen. Diese hat
den Vorteil des deutlich geringeren Eigengewichtes. Hierdurch wird der
Energiebedarf der Totmassen sowohl beim Heizen als auch beim Kühlen reduziert.
Dabei bewirken die gewichtsoptimierten Düsenplatten auch eine schnellere
Aufheizung und eine schnellere Kühlung der Charge.
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Bei Vakuumöfen mit innovativem Heizkammeraufbau und niedrigeren Leerverlusten
können bis zu 10 % des normalen Stromverbrauchs eingespart werden.
CFC Chargiergestelle
Durch den Einsatz von CFC-Chargiergestellen lässt sich die Totmasse gegenüber
den normalen hitzebeständigen Stahlgestellen erheblich reduzieren. Im Vergleich zu
den Chargiergestellen aus hitzebeständigem Material kann mit Gestellen aus CFC
mehr als 70 % Eigengewicht gespart werden. Diese geringe Masse bedingt einen
deutlich geringeren Energieeintrag bei der Erwärmung und auch beim Kühlvorgang.
„Stahl“ „CFC“
Chargengewicht: 300 kg netto, 420 kg brutto Chargengewicht: 300 kg netto, 330 kg brutto
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Kühlen
Beim Prozessschritt Kühlen wird der Gasverbrauch durch das Volumen des
Rezipienten und den vorgewählten Gasdruck beeinflusst.
Beim Verhältnis von Nutzraum zum Rezipientenvolumen weisen SCHMETZ-Anlagen
ein sehr gutes Verhältnis auf, das durch die kompakte Bauweise garantiert ist. Durch
die jahrelange Erfahrung ist es uns gelungen, das Verhältnis von Kesselvolumen zu
Nutzraumvolumen zu minimieren, ohne die Montage- und Wartungsarbeiten zu
erschweren.
Der vorzuwählende Kühlgasdruck wird durch den für Ihre Bauteile erforderlichen
Kühlgradienten bestimmt. Hierbei ist nicht nur die Kühlgasgeschwindigkeit
ausschlaggebend, sondern auch der Volumenstrom des Gases und die gleichmäßige
Gasverteilung über den Chargennutzraum.
Um eine möglichst gleichmäßige und damit verzugsminimierte Abschreckung
sicherzustellen, wird der Gasstrom über spezielle Gasleiteinrichtungen dem
gesamten Nutzraum des Ofens zugeführt. Die hierfür in der Heizkammer integrierten
Gasleiteinrichtungen müssen dabei zum einen optimale Strömungsverhältnisse
sicherstellen, zum anderen aber auch den Erfordernissen an geringer Eigenmasse
bei gleichzeitig hohen Standzeiten gerecht werden.
Der Kühlgasventilatormotor und Frequenzumrichter
Die für den Härteprozess notwendigen hohen Abkühlgeschwindigkeiten werden
durch den Gasdruck und einem hohen Gasvolumenstrom erreicht. Hierfür ist der
Einsatz eines leistungsstarken Elektromotors für den Kühlgasventilator erforderlich.
Physikalisch bedingt entsteht beim Einschalten des Motors ein über dem Nennstrom
liegender Anlaufstrom. Die hierbei entstehenden Stromspitzen im Sekundenbereich
sind nicht das Einstufungskriterium für die vertraglich vereinbarten Tarife mit dem
Energieversorger !
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Der Frequenzumrichter (FU) für den kombinierten Einsatz Heizen und Kühlen
Die Hauptaufgabe des FU’s ist es, den Kühlventilatormotor in jeder Betriebssituation
mit Nennstrom anlaufen zu lassen. Es sei noch einmal ausdrücklich vermerkt, dass
die erforderliche elektrische Anschlussleistung und/oder vertragliche Vorhalteleistung
für einen Vakuumofen nichts mit dem direkten oder FU-gestarteten Motor zu tun hat.
Der Vorteil bei dem Einsatz eines FU’s für den Kühlventilator ist, dass nur mit dieser
technischen Lösung die Kühlphase eines Wärmebehandlungsprogrammes stufenlos
programmierbar ist. Bei der Nutzung dieser Möglichkeit ist durch Reduzieren der
Ventilatordrehzahl (soviel kühlen wie nötig, nicht wie möglich) Energie einzusparen.
Außerdem ist das Fahren von „Warmbad“-funktionen („marquench“) optimiert.
Der Einsatz des FU’s als Stellglied des Transformators in der Heizphase einer
Wärmebehandlung hat neben den kommerziellen Gründen bei der Ausrüstung der
Schaltanlage auch den Vorteil, dass sich die Instandhaltungs- und Wartungskosten
durch den Entfall des Thyristors reduzieren.
Die Prozesssteuerung (TMS-Thermoprozess Management System)
Die Prozesssteuerung als ein weiteres Kernstück der Ofenanlage ist so
programmiert, dass bei Nutzung der vorgesehenen Möglichkeiten in allen Stufen
eines Wärmebehandlungszyklus die erforderlichen Energien effizient eingesetzt
werden.
Es sollte seitens des Kunden immer die Devise gelten, durch die Programmierung
des Zyklus nur soviel Energie zu nutzen wie für die Wärmebehandlung nötig und
nicht soviel wie möglich ist.
Der konsequenten Nutzung von Chargenthermoelementen kommt bei der
Wärmebehandlung im Vakuumofen eine wichtige Funktion zur Reduzierung des
Energieverbrauchs zu. Die größte Bedeutung nimmt die Vorgabe der
Temperaturabweichung Charge vom Sollwert ein. Die richtige Wahl dieser
Temperatur in Verbindung mit der Solltemperatur der Heizung für jeden einzelnen
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Prozessabschnitt reduziert den Energieverbrauch auf ein Minimum. Die Möglichkeit,
im SCHMETZ *TMS*-System Kontrollzeiten zu jedem einzelnen Temperaturabschnitt
separat zu programmieren, hilft Ihnen also dabei nur so viel Energie einzusetzen wie
erforderlich ist, um die Bauteile auf die gewünschte Zieltemperatur zu erwärmen.
Neben den SCHMETZ-Modulen, die in den o.g. Kapiteln beschrieben werden und zur
Anlage gehören, kann durch die Prozesssteuerung auch notwendige externe
Peripherie, wie z.B. Wasserpumpen, nur dann zugeschaltet werden, wenn diese im
Prozessablauf erforderlich ist.
Durch jedes der aufgeführten SCHMETZ-Module lässt sich der Einsatz der Energie
reduzieren. Durch die Kombination aller Merkmale, die wir als SCHMETZ-System
*eSS* (Energie-Spar-System oder Energy-Saving-System) anbieten, ergibt sich
eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit im mehrfachen Sinn durch maximale
Energieeinsparung, kürzere Zykluszeiten und eine höhere Anlagenverfügbarkeit!
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Fazit:
Reduzierung des Stromverbrauchs
bis ca. 10 %
Reduzierung der Zykluszeit bis ca. 10 %
Steigerung der Kühlgeschwindigkeit /
Abschreckleistung bis ca. 10 %
Durch modernste Anlagentechnik und Anlagensteuerung sowie einem bewussten
Umgang mit der Anlage ist es möglich unsere Vakuumöfen energieeffizient und
umweltgerecht einzusetzen.
Gemäß unserer Firmenphilosophie werden wir auch in Zukunft mit weiteren
Innovationen Maßstäbe setzen.
Sollten Sie weitere Fragen zum Thema “energieeffiziente Vakuum-Ofenanlagen“
haben, so sprechen Sie uns einfach an.
SCHMETZ GmbH
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Tel.: +49 2373 686-0
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04.09.2009