DE3323478A1

DE3323478A1 - Cooling and heating process for water-operated hydraulic oil coolers on injection-moulding machines

Info

Publication number: DE3323478A1
Application number: DE3323478A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 5253 Lindlar Oehm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-06-30
Filing date: 1983-06-30
Publication date: 1985-01-10

Abstract

This invention relates to a process for recovering heat from cooling water of oil coolers (3) by means of a water base (12) at a high water temperature level (12I-12II) which dissipates thermal energy in a cooling and heating block (8) to an air base (13) at a lower air temperature level (13I-13II) for heating purposes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühl- und Heizverfahren das bei Hydraulikanlagen mit wasserbetriebenem Ölkühler anwendbar ist und welches die Wärmeenergie von Kühlwasser direkt an die Umgebungsluft zu Heizzwecken abgibt.The invention relates to a cooling and heating method which can be used in hydraulic systems with water-operated oil coolers and which emits the thermal energy of cooling water directly to the ambient air for heating purposes.

Ölhydraulische Anlagen sind seit langem bekannt und im Einsatz auf allen Gebieten der Industrie. Es werden mit Ölhydraulik leniare und/oder drehende Bewegungen ausgeführt und auf die verschiedensten Maschinenelemente übertragen und damit Arbeitsprozesse ausgeführt. Manche Arbeitstechniken wurden durch die Ölhydraulik erst realisiert. In der spannenden Bearbeitung sowie in der spanlosen Fertigung bei Stanzen und Pressen ist die Ölhydraulik nicht mehr weg zu denken. Der als bekannt vorausgesetzte Spritzgießprozess in der Kunststoffverarbeitung bedient sich ebenfalls heute vorwiegend der Ölhydraulik. Bei ölhydraulischen Anlagen muss die Wärme welche im Öl durch Reibung und Druck in den Pumpen, den Rohrleitungen und Arbeitseinheiten entsteht auf ein für die Verarbeitung günstiges Niveau gebracht und konstant gehalten werden. Würden nicht Kühlmöglichkeiten geschaffen, so würde das Öl thermisch geschädigt. Öltemperaturen von 52 - 65 Grad C sind wegen der günstigen Viskosität in der Praxis erprobt. Gekühlt wird das Öl mit an sich bekannten, sogenannten Ölkühlern. Dabei gibt es zwei charakteristische Typen, welche sich vorteilhaft durchgesetzt haben: 1. Wasserbetriebene Ölkühler welche mit einem Rohrschlangen- und Lamellensystem durch welches Kühlwasser fließt, im Öltank ins Öl eintauchen. Dabei ist die Anordnung meist in der Nähe der Rücklaufleitungen, weil dort das heißeste Öl ankommt. 2. Wasserbetriebene Ölkühler welche vom heißen Hydrauliköl durchflossen werden und außerhalb des Öltanks in ein oder mehrere Rücklaufleitungen zwischengeschaltet sind. Um den unterschiedlichen Kühlbedarf, der bei unterschiedlicher Arbeitsweise, wie Pausen oder Produktionsspitzen oder auch beim Anfahren bei noch kaltem Öl besteht zu regeln und zu steuern sind die Ölkühler mit ihrer fest installierten Kühlflächen im Kühlwasservor- oder -rücklauf vorzugsweise mit sogenannten Kühlwasserregulierventilen ausgerüstet. Eine Regulierung von Hand ist zu aufwendig und unregelmäßig. Ein Thermofühler ist im Öltank installiert und überträgt über Bimetalle oder Federspiralen die abgegriffene Temperatur auf einstellbare Kühlwasserregulierventile. Diese Regulierventile regeln je nach Bedarf und Einstellung die Wassermenge welche den Ölkühler durchfließt. Dies bedeutet, dass die erforderliche Kühlleistung über die Durchflußmenge des Wassers und der damit übernommenen Wärmekapazität geregelt wird.Oil-hydraulic systems have been known for a long time and are in use in all areas of industry. With oil hydraulics, linear and / or rotating movements are carried out and transferred to a wide variety of machine elements and work processes are carried out with them. Some working techniques were only realized by the oil hydraulics. Oil hydraulics have become indispensable in exciting machining and non-cutting production in punching and pressing. The injection molding process in plastics processing, which is presumed to be known, also mainly uses oil hydraulics today. In oil-hydraulic systems, the heat that arises in the oil through friction and pressure in the pumps, pipes and work units must be brought to a level that is favorable for processing and kept constant. If cooling were not created, the oil would be thermally damaged. Oil temperatures of 52 - 65 degrees C have been tried and tested in practice because of the favorable viscosity. The oil is cooled with what are known as oil coolers. There are two characteristic types, which have proven to be advantageous: 1. Water-operated oil coolers which, with a pipe coil and lamella system, through which cooling water flows, are immersed in the oil in the oil tank. The arrangement is usually close to the return lines because this is where the hottest oil arrives. 2. Water-operated oil coolers through which the hot hydraulic oil flows and are interposed in one or more return lines outside the oil tank. About the different cooling requirements for different working methods, such as breaks or production peaks or when starting up when the oil is still cold, the oil coolers with their permanently installed cooling surfaces in the cooling water supply or return are preferably equipped with so-called cooling water regulating valves. Adjustment by hand is too time-consuming and irregular. A thermal sensor is installed in the oil tank and transmits the tapped temperature to adjustable cooling water regulating valves via bimetals or spring coils. These regulating valves regulate the amount of water that flows through the oil cooler, depending on requirements and settings. This means that the required cooling capacity is regulated via the flow rate of the water and the heat capacity taken over with it.

Das erforderliche Kühlwasser wird oft dem teuren öffentlichen Netz entnommen. Kostengünstiger ist schon eine Kühlwasserversorgung aus Brunnen. Die Rückkühlung von Kühlwasser über Kühltürme oder Kältemaschinen wird ebenfalls praktiziert. Hierbei handelt es sich meist um offene Kreisläufe mit dem Nachteil einer besonderen und immerwährenden Wasseraufbereitung. Um den Bedarf an großen und teuren Kühlwassermengen zu reduzieren werden Rückkühlanlagen mit extrem niedrigen Temperaturen gefahren. Kältemaschinen arbeiten z.B. mit Temperaturen bis zu minus 4 Grad C. Durch die große Temperaturdifferenz zum heißen Hydrauliköl ist dadurch über eine geringe Wassermenge der Wärmeenergieabbau möglich. Die vorgenannten Systeme haben den Nachteil, dass die Wasseraufbereitung kosten- und energieintensiv ist und für die Entsorgung, wie Abwasser, Abluft und Filterung weitere Anstrengungen unternommen werden müssen. Solchem System fehlt weiterhin der Vorteil einer Wärmerückgewinnung zu Heizzwecken. Es wird mit weiterem Energieaufwand die dem Hydrauliköl entzogene Wärmemenge nutzlos an die Umwelt abgeben. Durch die Ölschocks und die Rohstoffverknappung der Vergangenheit wurden allerdings Anstrengungen unternommen mit Wärmerückgewinnungsanlagen und Wärmepumpen teilweise Wärmeenergie zurückzugewinnen und für Heizzwecke nutzbar zu machen. Wärmerückgewinnung in Belüftungsanlagen beschreibt Helmut Ossadnik in "Rationalisieren im Spritzgießbetrieb" Seite 177 bis 185 VDI Verlag 1981. Hierbei wird der Abluft von Fabrikationshallen Wärme entzogen und der Frischluftzufuhr beigemischt. Für eine solche Wärmerückgewinnung ist Voraussetzung, dass die Hallenluft zunächst einmal durch herkömmliche Heizsysteme vorher aufgeheizt wurde.The required cooling water is often taken from the expensive public network. A cooling water supply from a well is more economical. The recooling of cooling water via cooling towers or chillers is also practiced. These are mostly open circuits with the disadvantage of a special and permanent water treatment. In order to reduce the need for large and expensive cooling water quantities, recooling systems are operated with extremely low temperatures. Chillers work, for example, at temperatures down to minus 4 degrees C. Due to the large temperature difference to the hot hydraulic oil, the heat energy can be reduced using a small amount of water. The aforementioned systems have the disadvantage that water treatment is costly and energy-intensive and further efforts have to be made for disposal, such as waste water, exhaust air and filtering. Such a system still lacks the advantage of heat recovery for heating purposes. With further energy expenditure, the amount of heat withdrawn from the hydraulic oil will be uselessly released into the environment. However, due to the oil shocks and the shortage of raw materials in the past, efforts have been made to partially recover heat energy with heat recovery systems and heat pumps and to make them usable for heating purposes. Heat recovery in ventilation systems is described by Helmut Ossadnik in "Rationalize in Injection Molding Operations", pages 177 to 185 VDI Verlag 1981. Here, heat is extracted from the exhaust air from production halls and added to the fresh air supply. A prerequisite for such heat recovery is that the hall air has first of all been heated up beforehand using conventional heating systems.

Weiterhin ist der Einsatz von Wärmepumpen bekannt, wobei Kühlwasser das meist bis maximal 30 Grad C anfällt und in diesem Temperaturniveau nicht zu Heizzwecken nutzbar ist, unter Zufuhr von weiterer Fremdenergie auf ein höheres Potential gebracht wird. Dadurch ist erst eine Nutzung zu Heizzwecken möglich. Es ist dies bereits ein geschlossener Kühlkreislauf, jedoch ist der Aufwand an Berechnungen und baulichem Aufwand sowie der Wartung und Instandhaltung enorm. Dies geht aus der Veröffentlichung von Karl Friedrich Pauldrach "Rationalisieren im Spritzgießbetrieb" Seite 161 bis 176 VDI Verlag 1981 hervor.Furthermore, the use of heat pumps is known, with cooling water, which usually accumulates up to a maximum of 30 degrees C. and cannot be used for heating purposes at this temperature level, is brought to a higher potential with the supply of additional external energy. Only then can it be used for heating purposes. This is already a closed cooling circuit, but the calculation and structural effort as well as maintenance and repair is enormous. This emerges from the publication by Karl Friedrich Pauldrach "Rationalize in injection molding" pages 161 to 176 VDI Verlag 1981.

Ziel der Erfindung war es bei wasserbetriebenen Ölkühlern an Spritzgießmaschinen einen geschlossenen Kühlkreislauf zu schaffen, der die Nachteile der dauernden Kühlwasserzufuhr und Aufbereitung abstellt und Kühlwasser in einem günstigen Temperaturniveau zur direkten Wärmenutzung über einen Kühl- und Heizblock unmittelbar zur Verfügung stellt. Dies wird erreicht durch einen Kühl- und Heizblock welcher an dem Kühlwasserkreislauf des Ölkühlers angeschlossen wird und wobei das Kühlwasser durch eine Umwälzpumpe oder durch Schwerkraft im Kreislauf bewegt wird.The aim of the invention was to create a closed cooling circuit for water-powered oil coolers on injection molding machines, which eliminates the disadvantages of the constant supply of cooling water and processing and provides cooling water at a favorable temperature level for direct heat utilization via a cooling and heating block. This is achieved by a cooling and heating block which is connected to the cooling water circuit of the oil cooler and where the cooling water is moved in the circuit by a circulating pump or by gravity.

Die Erfindung ermöglicht es vorteilhaft, ohne nennenswerte Energiezufuhr mit geringem baulichem und materiellem Aufwand, die im Kühlwasser bei Hydraulikkühlern vorhandene Wärmeenergie nutzbar zu machen. Es ist auch bei vorhandenen und installierten Maschinen ein nach- träglicher Einbau möglich, da vorhandene Wasserleitung verwendet werden können. Ein Eingriff in die Ölhydraulik ist nicht erforderlich und schaltet weitere Risiken aus. Die Kosten-Nutzen-Relation lässt die Vorteile zu bekannten Verfahren des Standes der Technik klar erkennen.The invention advantageously makes it possible to utilize the thermal energy present in the cooling water in hydraulic coolers without a significant supply of energy with little structural and material expenditure. It is also necessary for existing and installed machines to Subsequent installation possible, as existing water pipes can be used. It is not necessary to intervene in the hydraulic system and eliminate further risks. The cost-benefit ratio clearly shows the advantages over known methods of the prior art.

Das Kühl- und Heizverfahren gemäß dem Hauptanspruch 1 wird anhand der Fig. I bis III und des beschriebenen Ausführungsbeispiels genauer erklärt.The cooling and heating method according to the main claim 1 is explained in more detail with reference to FIGS. I to III and the exemplary embodiment described.

Es zeigtIt shows

Fig. I Eine graphische Darstellung der erfindungsgemäßen Temperaturpotentiale der verwendeten wärmetauschenden Medien.FIG. I a graphic representation of the temperature potentials according to the invention of the heat-exchanging media used.

Fig. II Das Anschlussschema des Kühl- und Heizverfahrens an einen HydraulikölkühlerFig. II The connection diagram of the cooling and heating process to a hydraulic oil cooler

Fig. III Die Kombination des Kühl- und Heizverfahrens mit Rückkühlanlagen.Fig. III The combination of the cooling and heating process with recooling systems.

Bei hydraulischen Spritzgießmaschinen wird das Öl vom Tank 1 über Pumpen 2In hydraulic injection molding machines, the oil is drawn from tank 1 via pumps 2

auf Arbeitsdruck gebracht und steht nach Übertragung der Leistung auf diebrought to work pressure and is available after the performance has been transferred to the

Arbeitseinheiten in den Rücklaufleitungen mit erhöhter Temperatur an. Im Ölkühler 3Working units in the return lines with increased temperature. In the oil cooler 3

erfolgt die Rücklaufkühlung und das abgekühlte Öl fließt zum Tank 1 zurück. Beithe return cooling takes place and the cooled oil flows back to tank 1. at

Betrieb hat die Ölbasis 11 ein Öltemperaturniveau 11 I - 11 II von 65 - 52 Grad CIn operation, the oil base 11 has an oil temperature level 11 I - 11 II of 65 - 52 degrees C.

(Fig. I). Der Ölkühler 3 ist mit einem Kühlwasserkreislauf 4 ausgerüstet und die(Fig. I). The oil cooler 3 is equipped with a cooling water circuit 4 and the

Wasserbasis 12 übernimmt die Wärmeenergie. Wärmeenergie strömt, nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik, von einem höheren Temperaturniveau auf ein niedriges. Es wird nun erfindungsgmäß eine Wasserbasis 12 aufgestellt mit einem Wassertemperaturniveau 12 I - 12 II. Dieses Wassertemperaturniveau 12 I - 12 II ist niedriger als das Öltemperaturniveau 11 I - 11 II. Die Wasserbasis 12 ist so bemessen, dass eine ausreichende Wärmeströmung erfolgt. "Ausreichend" heißt in vorliegender Erfindung eine be- berechnete Basis welches maximal hohe Temperatur zulässt. Dies geschieht mit einem Wassertemperaturniveau 12 I - 12 II, 48 - 43 Grad C und einem der Wärmemenge entsprechenden Wasserdurchfluss, welcher nach der Wärmelehre die notwendige Übernahme der Wärmekapazität gewährleistet.Water base 12 takes over the heat energy. According to the 2nd law of thermodynamics, heat energy flows from a higher temperature level to a lower one. A water base 12 is now set up according to the invention with a water temperature level 12 I - 12 II. This water temperature level 12 I - 12 II is lower than the oil temperature level 11 I - 11 II. The water base 12 is dimensioned so that there is sufficient heat flow. "Sufficient" means in the present invention a certain calculated basis which allows maximum high temperature. This is done with a water temperature level of 12 I - 12 II, 48 - 43 degrees C and a water flow corresponding to the amount of heat, which, according to the theory of heat, ensures the necessary takeover of the heat capacity.

Die erhöhte Wasserbasis 12 erlaubt es wiederum nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik, dass die nun im Kühlwasser vorhandene Wärmeenergie im Kühl- und Heizblock 8 auf die Luftbasis 13 überströmt und das Lufttemperaturniveau 13 I - 13 II gebildet wird. Auch hierbei wird durch entsprechenden Volumenstrom der Luft die abzubauende Wärmekapazität der Wasserbasis 12 übernommen. Der Kühl- und Heizblock 8 ist dafür mit entsprechend ausgelegten Kühlflächen konzipiert, sodass eine Lufttemperatur bis 40 Grad C möglich ist. Die so gewonnene Heizleistung kann somit unmittelbar genutzt werden und zur Unterstützung von bereits installierten herkömmlichen Heizsystemen verwendet werden, wobei dann die vorhandene Raumluft benutzt wird. Es kann aber auf andere Systeme verzichtet werden und Raum- und /oder Frischluft durch das erfindungsgemäße Verfahren aufgeheizt werden. Es sind die wie bei herkömmlichen Systemen angewendeten Kombinationen auch hierbei möglich.The increased water base 12 in turn allows, according to the 2nd law of thermodynamics, that the thermal energy now present in the cooling water in the cooling and heating block 8 flows over to the air base 13 and the air temperature level 13 I - 13 II is formed. Here, too, the heat capacity of the water base 12 to be reduced is taken over by a corresponding volume flow of the air. The cooling and heating block 8 is designed with appropriately designed cooling surfaces so that an air temperature of up to 40 degrees C is possible. The heating power obtained in this way can thus be used immediately and used to support conventional heating systems that have already been installed, in which case the existing room air is used. However, other systems can be dispensed with and room and / or fresh air can be heated by the method according to the invention. The combinations used in conventional systems are also possible here.

Betrachtet man einmal genau den Ölkühler 3 und ermittelt die Wärmewerte im herkömmlichen Kühlwasser bei einer Spritzgießmaschine, so erhält man nach der Wärmelehre die Wärmemenge Q in kcal/h aus dem Produkt der Masse und der Temperaturdifferenz. (Delta t) =
<NichtLesbar>
If one takes a close look at the oil cooler 3 and determines the heat values in the conventional cooling water in an injection molding machine, according to the theory of heat, the amount of heat Q in kcal / h is obtained from the product of the mass and the temperature difference. (Delta t) =
<nonreadable>

At. Bei einer mittleren Spritzgießmaschine mit einer üblichen Kühlwassereingangstemperatur von 15 Grad C, einer Kühlwasserausgangstemperatur von 30 Grad C und einem Durchfluss von 8 l/min. (480 l/h) erhält man 7200 kcal/h oder 7,3 kW. Eine Maschinenhalle mit mehreren Spritzgießmaschinen kann somit alleine durch die Kühlwasserwärmeenergie mit dem erfindungsgemäßen Kühl- und Heizverfahren beheizt werden. Bei größeren Spritzgießmaschinen mit mehr Wärme-At. For a medium-sized injection molding machine with a usual cooling water inlet temperature of 15 degrees C, a cooling water outlet temperature of 30 degrees C and a flow rate of 8 l / min. (480 l / h) you get 7200 kcal / h or 7.3 kW. A machine hall with several injection molding machines can thus be heated solely by the cooling water heat energy with the cooling and heating method according to the invention. For larger injection molding machines with more heat

Kapazität kommt man mit einigen wenigen Maschinen auch für große Hallen aus.Capacity is enough with just a few machines, even for large halls.

Vergleicht man nun die erfindungsgemäße höhere Wasserbasis 12 mit den herkömmlichen Kühlsystemen so ist die Kühlwassereingangstemperatur 43 Grad C und die Kühlwasserausgangstemperatur 48 Grad C. Es ergibt sich ein Delta t von 5 Grad C. Um, wie im vorherigen Beispiel, eine Wärmemenge von 7200 kcal/h abführen zu können, muss die Wasserdurchflussmenge bzw. die Fließgeschwindigkeit im Kühlwasserkreislauf 4 über das Kühlwasserregulierventil 6 und die Umwälzpumpe 5 erhöht werden. Im aufgezeigten Rechnungsbeispiel ergibt sich erfindungsgemäß eine Wasserdurchflussmenge nach Umstellung der Gleichung von m = O/At = 1440 l/h. Es ist danach die 3fache Durchflussmenge gegenüber dem herkömmlichen System notwendig. Eine große Durchflussmenge bedeutet nun keineswegs eine große Wassermenge, da es sich erfindungsgemäß um einen geschlossenen Kühlkreislauf 4 handelt. Es wird dadurch wenig Wasser benötigt und dies auch nur einmalig zum Befüllen der Anlage. Erforderlich ist der Inhalt des Ölkühlers 3, des Kühlwasserkreislaufs 4, des Kühl- und Heizblocks 8 sowie der Inhalt eines eventuellen Druckausgleichsbehälters 14, welcher die Volumenausdehnung bei verschiedenen Temperaturen ausgleicht. Die Durchflussmengenregulierung übernehmen an sich bekannte, justierbare Kühlwasserregulierventile 6. Der Thermofühler 7 im Öltank 1 meldet das Öltemperaturniveau 11 I - 11 I an das Kühlwasserregulierventil 6, welches über einen veränderlichen Durchflussquerschnitt verfügt, und hiermit die Fließgeschwindigkeit und Umwälzung im Kühlwasserkreislauf 4 regelt.If one compares the higher water base 12 according to the invention with the conventional cooling systems, the cooling water inlet temperature is 43 degrees C and the cooling water outlet temperature 48 degrees C. The result is a delta t of 5 degrees C. To, as in the previous example, a heat quantity of 7200 kcal / h, the water flow rate or the flow speed in the cooling water circuit 4 must be increased via the cooling water regulating valve 6 and the circulation pump 5. In the calculation example shown, a water flow rate results according to the invention after changing the equation from m = O / At = 1440 l / h. After that, 3 times the flow rate is necessary compared to the conventional system. A large flow rate does not mean a large amount of water, since according to the invention it is a closed cooling circuit 4. As a result, little water is required and only once to fill the system. What is required is the content of the oil cooler 3, the cooling water circuit 4, the cooling and heating block 8 and the content of a possible pressure compensation tank 14, which compensates for the volume expansion at different temperatures. The adjustable cooling water regulating valves 6, which are known per se, are used to regulate the flow rate. The temperature sensor 7 in the oil tank 1 reports the oil temperature level 11 I - 11 I to the cooling water regulating valve 6, which has a variable flow cross-section and thus regulates the flow rate and circulation in the cooling water circuit 4.

Eine weitere Möglichkeit der Regelung der abzuführenden Wärmeenergie besteht mit einem drehzahlregelbaren Ventilator 9 welcher den Luftvolumenstrom des Kühl- und Heizblocks 8 innerhalb des Lufttemperaturniveaus 13 I - 13 II variiert. Eine Kombination der vorgenannten Regel- lungen mit einem Raumthermostat 10 ist möglich, wobei dann auch der Anpassung der Raumheizung Rechnung getragen wird. Es ist auch eine Koppelung mit vorhandenen Rückkühlmaschinen 15 möglich, wenn diese in einem entsprechenden Wassertemperaturniveau 12 I - 12 II arbeiten.Another possibility of regulating the heat energy to be dissipated is with a variable-speed fan 9 which varies the air volume flow of the cooling and heating block 8 within the air temperature level 13 I - 13 II. A combination of the aforementioned rule lungs with a room thermostat 10 is possible, in which case the adaptation of the room heating is also taken into account. Coupling with existing recooling machines 15 is also possible if these work in a corresponding water temperature level 12 I - 12 II.

Claims

1. Cooling and heating method for water-powered hydraulic oil cooler on injection molding machines consisting of a cooling and heating block (8) connected to the cooling of the oil cooler (3) which extracts heat energy from a quantity of water and releases it to the circulating air for heating purposes, characterized in that the cooling of the Oil base (11) takes place through a closed cooling water circuit (4) of a water base (12) with a high water temperature level (12 I - 12 II) and that the increased temperature level (12 l - 12 II) is below the oil temperature level (11 l - 11 II) and that there is an air base (13) with a lower air temperature level (13 I - 13 II) than the water temperature level (12 I - 12 II), and that the thermal energy to be extracted from the oil, with a low cooling water temperature difference from the flow to the return, is The water flow rate that can be regulated via cooling water regulating valves (6) is reduced and can be used for heating purposes in the cooling and heating block (8).

2. Cooling and heating method according to claim 1, characterized in that the cooling and heating block (8) has cooling surfaces adapted to the heat exchange at a high flow rate.

3. Cooling and heating method according to claim 1 and 2, characterized in that a cooling and heating block (8) or the method can be connected to work in combination with known recooling devices (16) and / or heating systems and a control via a room thermostat (10 ) he follows.

4th