DE102010030621A1

DE102010030621A1 - Verfahren zur Energieeinsparung in einer Formgebungsvorrichtung und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102010030621A1
Application number: DE102010030621A
Authority: DE
Inventors: Kenny Saul; Martin Spitz; Gregor Hiesgen
Original assignee: Universitaet Duisburg Essen
Current assignee: Universitaet Duisburg Essen
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2011-12-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energieeinsparung in einer Formgebungsvorrichtung, beispielsweise in einer Extrusionslinie, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energieeinsparung in einer Formgebungsvorrichtung, beispielsweise in einer Extrusionslinie, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
In der Kunststoffverarbeitung ist es bekannt, den Kunststoff durch Einsatz von Primärenergie (elektrischer Strom, Erdgas, ...) und Umwandlung dieser Energie in Reibungs- bzw. Heizungswärme aufzuschmelzen. Der so aufgeschmolzene Kunststoff wird beim Spritzguss in eine Form gepresst oder, wie bei der Extrusion, durch ein Werkzeug gepresst und anschließend zur Erreichung der Formstabilität gekühlt. Bei dieser intensiven Kühlung entsteht Abwärme, z. B. heiße Luft bei der Blasfolienextrusion, warmes Wasser in der Rohrextrusion oder auch beim Spritzgießen. Diese Abwärme wird bisher kaum genutzt. Sie wird über Wärmeaustauscher wie Kühltürme an die Umwelt abgeführt und ist somit verloren.
Zum Transport der Kühlmedien wie Luft und Wasser werden Ventilatoren bzw. Gebläse und Umwälzpumpen eingesetzt. Diese Gebläse und Umwälzpumpen werden über einen Elektromotor angetrieben. In einer Rohrfabrik gibt es üblicherweise einen geschlossenen Wasser-Kühl-Kreislauf, über den das Wasser mittels einer Pumpe zu den einzelnen Verbrauchern wie Kühlbädern, Getriebekühlung etc. gebracht wird. Die Kühlbäder haben eigene Umwälzpumpen, die das Wasser immer wieder zum abzukühlenden Kunststoffprodukt bringen. Über einen Thermostat wird die Wassertemperatur konstant gehalten.
Ein Verfahren zur Energieeinsparung in einer Extrusionslinie ist im Stand der Technik bekannt und wird beispielsweise in der WO2006060837A1 beschrieben. Diese Druckschrift betrifft eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines extrudierten Kunststoffprofils mit einem formgebenden Extrusionswerkzeug und mit einem in Längsrichtung des Kunststoffprofils gegenüber dem Extrusionswerkzeug verschiebbaren Gestell, das einen Kühltank und zwischen dem Kühltank und dem Extrusionswerkzeug eine auf einem Träger auswechselbar befestigte, an Versorgungsleitungen einerseits für einen Kühlflüssigkeitszu- und -ablauf und anderseits für einen Unterdruck anschließbare Trockenkalibriereinrichtung aufweist.
Die Möglichkeit zur Energierückgewinnung bei der Herstellung von Kunststoffrohren ist ferner in der US2009/0249778 A1 offenbart. Dort wird die Verwendung eines Stirlingmotors vorgeschlagen.
Eine weitere Möglichkeit zur Energierückgewinnung bei der Profilherstellung ist in der DE 10 2007 039 799 B3 offenbart. In dieser Schrift wird ein Verfahren zur Energieeinsparung in einer Extrusionslinie offenbart, wobei die zur Plastifizierung eingebrachte Wärme nach einem Formgebungsprozess zumindest teilweise in mechanische Energie umgewandelt und dem Extrusionsprozess wieder zugeführt wird.
Den im Stand der Technik bekannten Lösungen ist es gemein, dass die Rückgewinnung der eingebrachten Energie nur unzureichend gelingt und ein Großteil der Energie ungenutzt verloren geht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte Vorrichtung bereitzustellen, mit dem bzw. der die dem erzeugten Kunststoffprodukt entzogene Wärme im Prozess in einem höheren Ausmaß genutzt und somit die gesamte Anlage energieeffizienter betrieben werden kann.
Die Erfindung wird gelöst durch Bereitstelllung eines Verfahrens zur Energieeinsparung in einer Formgebungsvorrichtung, beispielsweise in einer Extrusionslinie, und einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen wie in den Ansprüchen definiert.
Seitens der Erfinder wurden die im Stand der Technik verwendeten Herstellungsverfahren und die dabei verwendeten Vorrichtungen intensiv untersucht. Wie oben beschrieben, muss ein Kunststoffprodukt nach der Formgebung abgekühlt werden, damit es in einen formstabilen Zustand übergeht.
Zu diesem Zweck wird Kühlwasser eingesetzt. Den Stand der Technik stellen Kühlstrecken dar, in denen der Kunststoff über eine gewisse Zeit mit ca. 10–15°C kaltem Wasser besprüht wird, das aufgewärmte Wasser wieder gesammelt, gekühlt und erneut eingesetzt wird. Das Kühlen des Kühlwassers erfolgt energieaufwändig in der Regel mit Kompressionskältemaschinen und erfordert ca. 30% der für den gesamten Verarbeitungsprozess benötigten elektrischen Energie.
Demgegenüber haben die Erfinder ein Verfahren entwickelt, bei dem diese Primärkühlung mit wesentlich höheren Temperaturen betrieben wird, wobei durch eine ausreichend große Temperaturdifferenz, die für die Produktkühlung ausschlaggebend ist, ein nutzbares Temperaturniveau erreicht wird, mit dem der Antrieb einer wärmegetriebenen Kältemaschine wie beispielsweise einer Ab-/Adsorptionskältemaschine ermöglicht wird.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Energieeinsparung in einer Vorrichtung zur Formgebung von Werkstoffen, wobei in der Vorrichtung zur Formgebung des Werkstoffes thermische Energie in den Werkstoff eingebracht wird, der Werkstoff in der Vorrichtung einem Formgebungsschritt unter Ausbildung eines Werkstoffprofils unterzogen wird und die thermische Energie dem Werkstoffprofil mittels einer wärmegetriebenen Kältemaschine zumindest teilweise wieder entzogen wird.
Von besonderem Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Energieeinsparung in einer Vorrichtung zur Formgebung von Werkstoffen ist, dass die zurückgewonnene thermische Energie dem Formgebungsverfahren durch Bereitstellung einer Wärmesenke, insbesondere zur Kühlung des Werkstoffprofils wieder zugeführt werden kann.
Dabei kann die thermische Energie dem Werkstoffprofil mittels mindestens eines ersten Kühlmediums in einem höheren Temperaturbereich entzogen und dem Formgebungsverfahren zur Kühlung des Werkstoffprofils mittels mindestens eines zweiten Kühlmediums in einem niedrigeren Temperaturbereich wieder zugeführt werden.
Als Kühlmittel wird im einfachsten Fall Wasser eingesetzt, das auf das ausgebildete Werkstoffprofil, beispielsweise ein extrudiertes Rohr, aufgesprüht und der wärmegetriebenen Kältemaschine zugeführt wird. Dazu kann zusätzlich auch ein zweites Kühlmedium wie Luft oder auch ein gegenüber dem Werkstoff inertes Gas verwendet werden, dessen thermische Energie ebenfalls, gegebenenfalls mit einer weiteren wärmegetriebenen Kältemaschine, zurückgewonnen werden kann.
Das Kühlwasser dieser Primärkühlung gibt erfindungsgemäß seine thermische Energie an die wärmegetriebene Kältemaschine ab und treibt damit den Prozess der Kälteerzeugung an. Das Temperaturniveau des Kühlwassers wird dadurch wieder auf die Vorlauftemperatur verringert, so dass dieses Kühlwasser erneut zur Kühlung des Produktes innerhalb der Primärkühlung eingesetzt werden kann. Durch Anheben des Temperaturniveaus im ersten Kühlbereich hinter dem umformenden Werkzeug wird somit die im Produkt enthaltene Wärme nutzbar. Diese Wärme dient als Energiezufuhr für Ab-/Adsorptionskältemaschinen. Die entstehende Kälte wird in einem zweiten Kühlbereich zur Produktkühlung eingesetzt.
Durch die Verwendung einer wärmegetriebenen Kältemaschine ist die Zuführung weiterer elektrischer Energie im Umfang wie bei den im Stand der Technik in der Regel verwendeten Kompressionskältemaschinen nicht erforderlich, sondern die zum Aufschmelzen des Kunststoffes eingebrachte Energie wird vorzugsweise in einer späteren Stufe des Verfahrens als Zufuhr von Wärmeenergie zur Erzeugung von Kälte in einer wärmegetriebenen Kältemaschine zum Einsatz in einem weiteren Verfahrensschritt wieder gewonnen.
Dieser weitere Verfahrensschritt kann die Bereitstellung der Kälte im Bereich der Sekundärkühlung sein, wo Kühlwasser mit einem deutlich verringerten Temperaturniveau von beispielsweise einer Vorlauftemperatur im Bereich von ca. 5 bis 15°C und einer Rücklauftemperatur von ca. 15 bis 30°C zirkuliert.
In einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit eine Kaskadierung von zwei Kühlzonen vorgesehen. In der ersten Zone wird durch die Anhebung des Temperaturniveaus ein Temperaturniveau erreicht, welches den Antrieb einer Ab-/Adsorptionskältemaschine ermöglicht. Die von dieser Kältemaschine benutzte Wärme kühlt das Produkt auf einem niedrigen Temperaturniveau in einer zweiten Zone.
Ein bedeutender Vorteil dieser Kaskadierung liegt darin, die im Produkt zuvor durch Energiezufuhr eingebrachte Energie nicht erneut durch Energiezufuhr abzuführen, sondern diese eingebrachte Energie zu nutzen. Damit einhergehend ist somit eine erhebliche Kostenreduktion. Der Einsatz der kaskadierten Kühlstrecke unter Verwendung von Ab-/Adsorptionskältemaschinen stellt somit eine erhebliche Effizienzsteigerung der heutigen Prozesse bereit.
Die Funktionsfähigkeit der Erfindung wurde von den Erfindern auch anhand von Modellberechnungen verifiziert. Die Berechnung der verfügbaren Energiepotentiale sowie Massenströme hat die Funktionsweise untermauert. Weitere Versuche haben gezeigt, dass beispielsweise für die Kühlung von Kunststoffprodukten im Wesentlichen die Temperaturdifferenz zwischen Produkt und Kühlmedium entscheidend ist und nicht die absolute Temperatur des Kühlmediums. Ein Abkühlprozess eines Produktes bei ca. 300°C sollte also mit einem auf ca. 75°C befindlichen Kühlmedium erfolgen können (Primärkühlung). Das in der Sekundärkühlung vorherrschende Temperaturniveau von üblichen ca. 10–15°C realisiert Produkttemperaturen, die identisch zu den erreichbaren Produkttemperaturen beim Einsatz von Kompressionskältemaschinen sind.
Erfindungsgemäß kann somit die dem Werkstoffprofil entzogene und auf das mindestens eine erste Kühlmedium übertragene thermische Energie mittels der wärmegetriebenen Kältemaschine auf das mindestens eine zweite Kühlmedium übertragen und dem Formgebungsverfahren in Form einer Wärmesenke zur Kühlung des Werkstoffprofils wieder zugeführt werden. Im einfachsten Fall werden als erstes und zweites Kühlmedium Kühlwasser in zwei voneinander getrennten Kühlkreisläufen verwendet. Es ist aber je nach Werkstoff und demzufolge auch Temperaturbereich denkbar, andere Kühlmedien zu verwenden. Diese Kühlmedien müssen gegenüber dem Werkstoff inert sein und so kann auch die Verwendung von salzhaltigen wässrigen Lösungen, organischen Flüssigkeiten wie Glykolen, aliphatischen Kohlenwasserstoffen und ähnliche denkbar sein. Ein wichtiges Kriterium der Eignung ist die Verwendbarkeit zur Übertragung der thermischen Energie im Kreislauf mit der wärmegetriebenen Kältemaschine.
Wenn Wasser als Kühlmedium verwendet wird, gilt: Das erste Kühlmedium hat im Allgemeinen eine Temperatur im Bereich von 50°C bis 100°C mit einem Unterschied zwischen Vorlauf- und Rücklauftemperatur von 5 bis 40°C, vorzugsweise von 10 bis 20°C, und das zweite Kühlmedium hat eine Temperatur im Bereich von 0°C bis unter 50°C, ebenfalls mit einem Unterschied zwischen Vorlauf- und Rücklauftemperatur von 5 bis 40°C, vorzugsweise von 10°C bis 20°C. Wenn andere Kühlmittel Verwendung finden, können diese Temperaturbereiche entsprechend angepasst werden, solange die Verwendung einer wärmegetriebenen Kältemaschine möglich ist.
Die Erfindung betrifft ebenso die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In der einfachsten Form ist dies eine Vorrichtung zur Ausbildung eines Werkstoffprofils aus einem Werkstoff, die mindestens eine Aufheizeinheit für den Werkstoff, eine Formgebungseinheit und eine Kühleinheit für das ausgebildete Werkstoffprofil umfasst, wobei der Kühleinheit eine wärmegetriebene Kältemaschine zugeordnet ist, mittels der die dem Werkstoff in der Aufheizeinheit zugeführte thermische Energie in der Kühleinheit entzogen und nutzbar gemacht werden kann.
Dabei kann die Vorrichtung so ausgebildet sein, dass die in der Kühleinheit entzogene thermische Energie der Kühleinheit über die wärmegetriebene Kältemaschine in Form einer Wärmesenke zur weiteren Kühlung des Werkzeugprofils wieder bereitgestellt wird. Ebenso kann auch einer an der Vorrichtung angeordneten Formgebungseinheit, beispielsweise eine Kalibrierungseinheit, mit der die geometrischen Abmessungen des Profils, gegebenenfalls unter Anlegung eines Unterdruckes, kalibriert werden und so die äußere Schicht des Profils, die sogenannte Schale, in ihren Abmessungen festgelegt werden, eine Wärmesenke durch das Verfahren bereitgestellt werden.
Die Erfindung betrifft somit besonders eine Vorrichtung zur Formgebung von Werkstoffen, bei der die Kühleinheit eine primäre Kühlstrecke und mindestens eine der ersten Kühlstrecke nachgeordnete sekundäre Kühlstrecke aufweist, wobei der primären Kühlstrecke die Einheit der wärmegetriebenen Kältemaschine zur Aufnahme der thermischen Energie aus dem Werkstoffprofil zugeordnet ist und der sekundären Untereinheit der Kühlstrecke die zweite Untereinheit der wärmegetriebenen Kältemaschine mit dem Kühlmittelkreislauf zugeordnet ist.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung einer wärmegetriebenen Kältemaschine zur Rückgewinnung der in ein Verfahren zur thermischen Be- und/oder Verarbeitung eines Stoffes eingebrachten thermischen Energie.
Es ist eine Vielzahl von Verfahren zur thermischen Be- und/oder Verarbeitung eines Stoffes denkbar, bei denen eine wärmegetriebene Kältemaschine erfindungsgemäß verwendet werden kann. Neben den Formgebungsverfahren für Werkstoffe wie Extrusion, Blasformen, Metallguss sind auch Verfahren zur thermischen Behandlung von Lebensmitteln oder Pharmazeutika denkbar, bei denen die Produkte, beispielsweise zur Sterilisierung oder Homogenisierung, einer thermischen Behandlung unterzogen werden. Die dabei in die Produkte eingebrachte thermische Energie, die nach Ende der Behandlung im Produkt verbleibt und insbesondere deshalb schnell entfernt werden sollte, um unerwünschten Nebenwirkungen vorzubeugen, wird bei den im Stand der Technik bekannten Verfahren nicht genutzt. Hier bietet sich die erfindungsgemäße kaskadierte Kühlung unter Verwendung einer wärmegetriebenen Kältemaschine an, um die in der Primärkühlung abgeführte thermische Energie zur weiteren Kühlung des Produktes in einer Sekundärkühlung zu verwenden Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren bzw. Vorrichtung wird insbesondere in der Kunststoffverarbeitung ein Energiekreislauf vorgeschlagen, über den die zur Aufschmelzung eines Kunststoffgranulates eingebrachte Energie mindestens teilweise wieder dem Prozess zugeführt wird.
In der einzigen Zeichnung ist schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben.
Wie schematisch gezeigt, gelangt ein in schmelzviskoser bis flüssiger Form vorliegender Werkstoff wie ein Kunststoff wie Polyethylen, Polypropylen und ähnliche Thermoplaste, über eine Formgebungseinheit , die der Einstellung der Form und Abmessungen des Werkstoffprofils wie ein Rohr dient, in den Bereich der Primärkühlung, wo die im Werkstoffprofil vorhandene thermische Energie über ein Kühlmedium wie Wasser, Salzlösung etc. in die wärmegetriebene Kältemaschine abgeführt wird und ihrerseits zur Kühlung im Bereich der Sekundärkühlung verwendet wird, wo das Werkstoffprofil über ein in der Kältemaschine abgekühltes Kühlmittel wie Wasser weiter abgekühlt wird.
Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung ist es möglich, in einem Kühlkreislauf die Strom verbrauchenden Geräte zu reduzieren und nahezu in Gänze zu ersetzen. Mit der Erfindung ist eine erhebliche Reduzierung der Energiemengen und -kosten, die heutzutage für die Kühlung bei verschiedenen Umformprozessen benötigt werden, möglich. Die erfindungsgemäße Kühlung kann bei perfekter Auslegung des Systems nahezu energieneutral arbeiten. So ist die Erfindung geeignet, ein heißes Produkt mit erheblich verminderten Energiekosten zu kühlen. Die Wärme des Produktes wird eingesetzt, um eine Ab-/Adsorptionskältemaschine zu betreiben. Diese Maschine stellt mit dieser Energiezufuhr Kälte zur weiteren Produktkühlung bereit, und die Zufuhr von anderweitiger Energie beschränkt sich dabei auf elektrische Energie zum Betrieb von kleinen Umwälzpumpen bzw. für die Steuerung/Regelung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2006060837 A1 [0004]
US 2009/0249778 A1 [0005]
DE 102007039799 B3 [0006]

Claims

Verfahren zur Energierückgewinnung in einer Vorrichtung zur Formgebung von Werkstoffen, wobei in der Vorrichtung zur Formgebung des Werkstoffes thermische Energie in den Werkstoff eingebracht wird, der Werkstoff in der Vorrichtung einem Formgebungsschritt unter Ausbildung eines Werkstoffprofils unterzogen wird und die thermische Energie dem Werkstoffprofil mittels einer wärmegetriebenen Kältemaschine zumindest teilweise wieder entzogen und so nutzbar gemacht wird.
Verfahren zur Energieeinsparung in einer Vorrichtung zur Formgebung von Werkstoffen nach Anspruch 1, bei dem zurückgewonnene thermische Energie dem Formgebungsverfahren in Form einer Wärmesenke wieder bereitgestellt wird.
Verfahren zur Energieeinsparung in einer Vorrichtung zur Formgebung von Werkstoffen nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zurückgewonnene thermische Energie dem Formgebungsverfahren zur Kühlung des Werkstoffprofils in Form einer Wärmesenke wieder bereitgestellt wird.
Verfahren zur Energieeinsparung in einer Vorrichtung zur Formgebung von Werkstoffen nach Anspruch 3, bei dem die thermische Energie dem Werkstoffprofil mittels mindestens eines ersten Kühlmediums in einem höheren Temperaturbereich entzogen und dem Formgebungsverfahren zur Kühlung des Werkstoffprofils mittels mindestens eines zweiten Kühlmediums in einem niedrigeren Temperaturbereich wieder zugeführt wird.
Verfahren zur Energieeinsparung in einer Vorrichtung zur Formgebung von Werkstoffen nach Anspruch 4, bei dem die dem Werkstoffprofil entzogene und auf das mindestens eine erste Kühlmedium übertragene thermische Energie mittels der wärmegetriebenen Kältemaschine auf das mindestens eine zweite Kühlmedium übertragen wird und dem Formgebungsverfahren zur Kühlung des Werkstoffprofils wieder zugeführt wird.
Verfahren zur Energieeinsparung in einer Vorrichtung zur Formgebung von Werkstoffen nach Anspruch 5, bei dem das erste Kühlmedium eine Temperatur im Bereich von 50°C bis 100°C hat und das zweite Kühlmedium eine Temperatur im Bereich von 0°C bis unter 50°C hat.
Vorrichtung zur Ausbildung eines Werkstoffprofils aus einem Werkstoff, die mindestens eine Aufheizeinheit für den Werkstoff, eine Formgebungseinheit und eine Kühleinheit für das ausgebildete Werkstoffprofil umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühleinheit eine wärmegetriebene Kältemaschine zugeordnet ist, mittels der die dem Werkstoff in der Aufheizeinheit zugeführte thermische Energie in der Kühleinheit entzogen und zurückgewonnen werden kann.
Vorrichtung zur Formgebung von Werkstoffen nach Anspruch 7, bei dem die Kühleinheit so ausgebildet ist, dass die in der Kühleinheit entzogene thermische Energie der Kühleinheit zur weiteren Kühlung wieder zugeführt wird.
Vorrichtung zur Formgebung von Werkstoffen nach Anspruch 8, bei dem die Kühleinheit eine primäre Kühlstrecke und mindestens eine der ersten Kühlstrecke nachgeordnete sekundäre Kühlstrecke aufweist, wobei der primären Kühlstrecke die Einheit der wärmegetriebenen Kältemaschine zur Aufnahme der thermischen Energie aus dem Werkstoffprofil zugeordnet ist und der sekundären Untereinheit der Kühlstrecke die zweite Untereinheit der wärmegetriebenen Kältemaschine mit dem Kühlmittelkreislauf zugeordnet ist.
Verwendung einer wärmegetriebenen Kältemaschine zur Rückgewinnung der in ein Verfahren zur thermischen Be- und/oder Verarbeitung eines Stoffes eingebrachten thermischen Energie, das vorzugsweise ein Verfahren ist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Formgebungsverfahren für Werkstoffe und Verfahren zur thermischen Behandlung von Lebensmitteln oder Pharmazeutika besteht.