Kühlung in der Kunststoffindustrie

Alfred Kärcher GmbH & Co. KG, Winnenden

Gunther Laube, Fertigungsplaner bei der Alfred Kärcher GmbH & Co. KG, Winnenden, erinnert sich vor allem an die hohe Flexibilität der gwk-Experten aus Meinerzhagen. „Die räumliche Gestaltung beim Einbau der zentralen Kühlanlage war aufgrund des Platzmangels nicht so einfach. Doch die Leute von gwk sind auf unsere Vorstellungen eingegangen, während andere Anbieter uns nur ihre Standardlösungen verkaufen wollten. Sehr gute Beratung, Service und Kommunikation, sowie das Gefühl, verstanden zu werden, dazu die hohe Flexibilität und Qualität bei den technischen Lösungen – das alles hat uns überzeugt.“ Auch jetzt, acht Jahre später, liefen alle Anlagen ohne Probleme.

„Die zentrale Kühlanlage mit 736 kW Kälteleistung, Wärmerückgewinnung und Wasseraufbereitung ist als Zwei-Kreis-Kühlsystem ausgeführt, mit einem Werkzeug- sowie einem Hydraulikkühlkreis. Die Werkzeugkühlung wird über einen wassergekühlten, energiesparenden Industriekaltwassersatz mit stufenloser Leistungsregulierung und elektronischem Expansionsventil realisiert. Den Kühlkreis für die Hydraulik speist eine „hermeticool-hybrid“-Einheit“, erläutert Volker Zart, Geschäftsleitung Kühltechnik bei gwk.

Im Werkzeugkreis saugt die Betriebspumpe das abgekühlte Wasser aus dem Kaltwasserkreisbehälter und fördert es zu den Werkzeugen der Spritzgießmaschinen. Das Kühlwasser entzieht dem Verbraucher Wärme und wird in den Warmwasserbehälter geleitet. Über eine Verdampferpumpe gelangt das warme Wasser zum Verdampfer und überträgt die aufgenommene Energie an das Kältemittel. Das Kältemittel wird im Kompressor verdichtet und gibt im wassergekühlten Kondensator die aufgenommene Energie an den Kühlkreis ab.

Das so abgekühlte Wasser fließt zurück in den Kaltwasserbehälter. Ist die Außentemperatur niedriger als die Rücklauftemperatur vom Verbraucher, wird das warme Wasser zum „hermeticool“ (Freikühler neben der Kärcher-Spritzerei) gepumpt und gibt dort die aufgenommene Energie an die durchströmende, kalte Außenluft ab. Je nach Außentemperatur übernimmt die „hermeticool“ die volle oder teilweise Kühlfunktion. „Erst wenn die Außentemperatur die Rücklauftemperatur vom Verbraucher überschreitet, ist der Kältemaschinenbetrieb erforderlich. Dieser bedarfsgerechte Einsatz spart Energie“, so Zart.

Im Hydraulikkreis wird das abgekühlte Wasser mittels Betriebspumpe aus dem Kaltwasserbehälter gesaugt und zu den Ölkühlern der Spritzgießmaschinen gefördert. „Das Kühlwasser entzieht dem Verbraucher Wärme und wird in den Warmwasserbehälter geleitet. Dann wird es zur „hermeticool-hybrid“-Einheit geleitet und dort von der kalten Außenluft abgekühlt. Diese Einheit arbeitet nach dem Luftkühlerprinzip im geschlossenen Kreislauf, ohne Wasserverluste“, beschreibt Zart den Prozess. „Bei hohen Außentemperaturen wird über ein Luftkonditioniersystem die Ansaugluft durch adiabatische Abkühlung so weit gesenkt, dass Prozesswassertemperaturen deutlich unter denen der Außenluft erreicht werden. Dies wird mit einem Minimum an zusätzlichem Frischwasser erreicht.“

Walter Goletz GmbH, Kierspe

Mit dem Neubau der Fertigungsstätte vor sieben Jahren hat die Walter Goletz GmbH, Kierspe, eine zentrale Kühlanlage mit Wärmerückgewinnung und Wasseraufbereitung von gwk installiert, um die Produktion so effizient wie möglich zu gestalten. Mittels der Installation einer energiesparenden Kühlanlage wurden die Stromkosten um über 100.000 Euro pro Jahr gesenkt.

Ein weiteres Ziel war die Wärmerückgewinnung: Goletz verzichtete auf eine Heizanlage und nutzt stattdessen die Abwärme von Produktionsmaschinen und Peripherie, was einer weiteren jährlichen Einsparung von über 20.000 Euro entspricht. Aufgrund der immensen Energieeinsparungen hat sich die Gesamtinvestition bereits nach 21 Monaten getragen.

Das bestätigt Hendrik Baukloh, Leiter Qualitätssicherung beim Unternehmen. Nicht einmal im kalten Winter 2011/2012 habe man eine Heizung im Gebäude gebraucht: „Irgendwo hinten im Eck ist ein Gashahn für den Anschluss ans öffentliche Gasnetz installiert. Darauf haben die Stadtwerke damals gedrängt, weil sich dort niemand vorstellen konnte, dass wir tatsächlich komplett ohne Gas auskommen. Aber genutzt haben wir ihn noch nie.“

Vor allem habe sich die damals erstellte gwk-Projektstudie als richtig erwiesen. „Inzwischen ist bei uns die komplette Systemtechnik von gwk im Einsatz. Der größte Vorteil ist, dass alle Komponenten perfekt aufeinander abgestimmt sind.

Polifilm GmbH, Weißandt-Gölzau

Doch die Experten von gwk können nicht nur Spritzguss sondern auch Extrusion. Ein gutes Beispiel dafür ist die Folienproduktion im CAST-Verfahren bei der Polifilm GmbH, Weißandt-Gölzau. Sie ist technisch anspruchsvoll und erfordert einen besonders gut aufeinander abgestimmten Prozess. Bei Polifilm besteht die besondere Herausforderung darin, die sehr hohen Qualitätsansprüche effizient und energiesparend umzusetzen. Erstes Glied in dieser Fabrikationskette sind die mit Rohstoffen automatisch gespeisten Extruder. Die Granulate werden in jeder Linie über mehrere Extruder aufgeschmolzen, gefördert und homogenisiert.

Zunächst werden sie erhitzt und über ein Wurmrad zu einer langen, querplatzierten Schlitzdüse gepresst. Über diese Öffnung wird die flüssige Schmelze gleichmäßig auf eine sich drehende Walze gegossen und in Sekundenbruchteilen von ca. 290 °C auf ca. 30 bis 40 °C abgekühlt und über eine Nachkühlwalze umgelenkt. Die Walzen werden mit Wasser gekühlt und sorgen dafür, dass das Material bei der richtigen Temperatur verarbeitet wird. Der jetzt entstandene Film wird auf Spannung gehalten und über diverse Walzen geleitet. Dies verleiht dem CAST-Film dann auch seine spezifischen Eigenschaften. Zum Schluss wird die Folie auf eine Röhre gewickelt.

Damit der komplexe Prozess problemlos funktioniert, muss aufwändig gekühlt werden. Zunächst wird die Einzugszone gekühlt, damit das Granulat dort nicht aufschmilzt und den Bereich verstopft. Extrudergetriebe und -antrieb werden mit 20 bis 30 °C über einen Wärmetauscher wassergekühlt. Von der Düse geht der Schmelzefluss auf die erste Kühlwalze und wird dort mit 12 °C Wasser gekühlt (Vorlauf), die Walzentemperatur wird je nach Anforderung auf 20 bis 23 °C geregelt. Der Düsenabzug mit Abscheider wird abgesaugt und gereinigt und ebenfalls mit Kühlwasser gekühlt. Danach gelangt die Folie auf die zweite, kleinere Kühlwalze, von der es über mehrere Umlenkwalzen zum Wickler geht.

Die Kühlung all dieser Elemente ist energieintensiv und deshalb ein wichtiges Kriterium in jeder Kostenrechnung. Polifilm setzt dabei deshalb auf die umfassende Kompetenz von gwk. „Die moderne und effiziente Technik des Unternehmens leistet einen großen Beitrag zu unserer Energiesparpolitik. Die Verantwortlichen haben uns fachmännisch hervorragend beraten und allen unsere Anforderungen perfekt umgesetzt“, erinnert sich Polifilm-Betriebsleiter Michael Reissky.

gwk sorgt neben der Kühlung im CAST-Prozess selbst auch für die Kühlung der Schaltschränke. Die integrierte multifunktionale gwk-Kühlwasseraufbereitungsanlage „active“ stellt ein optimales Prozesswasser für einen guten Wärmeübergang zur Verfügung und verhindert, dass sich Ablagerungen innerhalb der Walzen bilden. Die Kältemaschinen sind mit einem zusätzlichen Heizkondensator zur Wärmerückgewinnung und Beheizung von Hallen, Lagerflächen und Luftschleiern an den Toren ausgestattet. Darüber hinaus kommt bei einer Recyclinganlage, die über einen Wärmetauscher gekühlt wird, weitere Technik von gwk zum Einsatz.

Den entscheidenden Anteil am effizienten Produktionsprozess haben jedoch drei energiesparende „hermeticool“-Kühlanlagen. Sie leisten nicht nur einen wichtigen Beitrag für die optimale Qualität der Endprodukte, sondern reduzieren auch deutlich den Energieverbrauch für den Herstellungsprozess auf den sechs CAST-Linien. Entsprechend der Anforderungen von Polifilm nach Senkung der laufenden Betriebskosten und Verringerung des Energieverbrauchs konzipierte gwk ein auf die Anforderungen des Kunden zugeschnittenes energiesparendes Kühlanlagenkonzept. Es umfasst eine individuell für Polifilm angepasste Konfiguration mit drei Rückkühlanlagen mit einer Gesamtkühlleistung von 2800 kW bei einer Kaltwassertemperatur von 10 °C bzw. 12 °C.

„Mit der Installation unserer energiesparenden Kühlanlage haben wir die geforderten Energieeinsparungen schnell umgesetzt und zudem die Betriebssicherheit erhöht. Dabei nutzt die „hermeticool“-Kühlanlage die Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht und den verschiedenen Jahreszeiten, um auf kostengünstigste Weise kaltes Wasser für Produktionseinrichtungen zu erzeugen“, erläutert Volker Zart, Geschäftsleitung Kühltechnik bei gwk. „Hierbei wird die Laufzeit der energetisch kostenintensiven Kältemaschine auf ein Minimum reduziert.“

Dies bestätige auch die Praxis.

„Bei 8000 Produktionsstunden pro Jahr läuft die Kühlanlage ca. 3600 Stunden im 100-prozentigen energiesparenden „hermeticool“-Betrieb, 2000 Stunden im Misch-Teillastbetrieb und nur noch 2400 Stunden im 100-prozentigen Kompressor-Betrieb. Durch die serienmäßige Ausstattung der Kältemaschine mit elektronischem Expansionsventil und gleitender Kondensationsdruckregelung konnte die Energieersparnis sogar auf insgesamt 69 Prozent ausgebaut werden“, rechnet Zart vor.

Sorcole GmbH, Hutthurm

Günter Brunner, Geschäftsführer der Sorcole GmbH, Hutthurm, ist ein Mann, der sich sehr intensiv mit dem Thema Energiesparen beschäftigt. Dass er auch bei der Kühlung der Spritzgießmaschinen in seiner Fabrik auf Sparsamkeit und Effizienz setzt und für die entsprechende Systemtechnik auf die Kompetenz von Profis zurückgreift, verwundert deshalb nicht. „Im Zuge des Neubaus des Firmengebäudes im Jahr 2012 habe ich mich in der Fachpresse informiert, welches Unternehmen mir eine passende Kühlanlage installiert“, erinnert er sich. Dabei sei auch der Kontakt zur gwk entstanden. „Aufgrund der guten Beratung und des flexiblen, auf unsere Bedürfnisse angepassten Konzeptes haben wir uns für das Unternehmen entschieden“ so Brunner.

Aktueller Stand der Technik sind Maßnahmen zur Entlastung der Kältemaschine, um den kostenintensiven Betrieb der Kaltwassersätze zu reduzieren. Die gwk-Projektstudie ergab aufgrund der Wünsche an das Wärmerückgewinnungssystem allerdings ein anderes Bild. Für Sorcole konzipierten die Experten aus Meinerzhagen deshalb eine individuelle Rückkühlanlage mit einer Kühlleistung von 166 kW und Kaltwassertemperaturen von 15 °C Werkzeugkreis, 17 °C Kühldecke und 30 °C Hydraulik.

Die Kühlung des Hydraulikkreises (30 °C) wird das ganze Jahr durch den Energiesparkühler „hermeticool hybrid“ abgedeckt, ohne dass die Kältemaschine zum Einsatz kommen muss (100 % Kältemaschinenentlastung). Der Werkzeugkreis (15 °C) wird mit einer wassergekühlten Kältemaschine realisiert. Im Unterschied zu standardisierten Konzepten wird diese nicht mit einer Winterentlastung ausgestattet, sondern man nutzt die von der Kältemaschine erzeugte Heizenergie, um über Wärmetauscher die Energie einem zentralen Speicher zuzuführen. Somit wird die Kältemaschine als Wärmepumpe verwendet und spart im Vergleich zu einer Gasheizung ca. 6000 €/Jahr Heizkosten.

In der kalten Jahreszeit wird die abgeführte Energie der Verarbeitungsmaschinen über den Hydraulikkreis ebenfalls über Wärmetauscher dem zentralen Energiespeicher zugeführt. „Im Winter können wir über die Abwärme das ganze Büro beheizen und kommen fast ohne Gas aus“, erklärt der Sorcole-Geschäftsführer. „Im Sommer dagegen wird die Klimatisierung über die Kältemaschine gewährleistet. Wir sind da – auch mit Blick auf die Zukunft und auf steigende Energiekosten – wirklich sehr gut aufgestellt.“