Regelungsverfahren von Kühlaggregaten für Werkzeugmaschinen

Werkzeugmaschinen werden hautsächlich zur spanenden Bearbeitung von Metallbauteilen durch Dreh-, Fräs- und Bohroperationen genutzt. Der Gesamtenergieverbrauch einer Werkzeugmaschine ist von deren Maschinenkomponenten und den durchgeführten Bearbeitungsprozessen abhängig. Neben dem Energiebedarf für die Antriebsmotoren beim Bearbeitungsprozess besteht auch Energiebedarf für den Betrieb von Nebenaggregaten wie z.B. Hydraulikaggregate und der Kältetechnik zur Kühlung der Maschine im Betrieb. Der durchschnittliche Anteil des Energiebedarfs der Maschinenkühlung am Gesamtenergiebedarf einer Werkzeugmaschine beträgt im Stand-by-Betrieb ca. 25 % und während der Bearbeitung 14 % [3], [4].

Kältesysteme in Werkzeugmaschinen

Zur Einhaltung enger Fertigungstoleranzen und zum Schutz von hochbeanspruchten Komponenten wie den Antriebsmotoren kommen heute in Werkzeugmaschinen oft unterschiedliche Kälteaggregate gleichzeitig zum Einsatz: Eintauchkühler zur Temperierung des Kühlschmierstoffs (KSS), Durchlaufkühler für die Wärmeabfuhr aus dem Kühlmittel (KM) und Schaltschrankkühler zur Entwärmung der aktiven Elemente in Schaltschränken durch gekühlte Umgebungsluft.

An den Schneiden der Werkzeuge entsteht bei der Zerspanung Wärme, die durch das Werkstück, die Späne und das Werkzeug aufgenommen wird. Zur Kühlung und Schmierung der Werkzeuge und dem Abtransport und der Kühlung der erhitzen Späne wird in Werkzeugmaschinen je nach Material des Werkstücks ein wassermischbarer oder ein nichtwassermischbarer Kühlschmierstoff eingesetzt. Wobei bei der Werkzeugkühlung zwischen der Innen- und Außenkühlung unterschieden wird. Werkzeuge mit Innenkühlung verfügen über Kanäle, in denen der Kühlschmierstoff durch das Werkzeug bis zur Werkzeugspitze geleitet wird und dabei dieses von Innen und direkt an den Schneiden kühlt. Bei der Außenkühlung wird der Kühlschmierstoff von außen an das Werkzeug geleitet und so die Wärme abgeführt. Die Kühlschmieranlage einer Werkzeugmaschine beinhaltet einen Behälter, eine Pumpe zur Förderung des Kühlschmierstoffs und Einrichtungen zur Aufbereitung des KSS durch Filtration und Rückkühlung.

Zur Kühlung der Antriebsmotoren, des Hauptspindelsystems, des Hydraulikag­gregats und teilweise auch zur Kühlung der Elektronik in der Steuerung verfügen Werkzeugmaschinen oft noch über einen Kühlkreislauf mit einem Kühlmittel, das überwiegend aus dem Medium Wasser besteht. Das Kühlmittel zirkuliert dabei in einem geschlossenen Kreislauf. Die Rückkühlung des erwärmten Kühlmittels erfolgt in Durchlaufkühlern, die neben einem Kälteaggregat Förderpumpen und diverse Mischventile für das Kühlmittel enthalten.

Die besondere Herausforderung für die Kühlung von Werkzeug­maschinen

Die Bearbeitungsprozesse an Werkzeugmaschinen sind durch stark unterschied­liche Lasten und durch häufige Lastwechsel geprägt. Diese haben große und schnelle Änderungen im Leistungs- und Kühlbedarf zur Folge und stellen damit im Vergleich zu vielen anderen Kältetechnik-Anwendungen eine besondere Herausforderung dar. Bei hochpräzisen Bearbeitungsvorgängen muss die Temperatur der bearbeitungsrelevanten Maschinenkomponenten in einem engen Bereich von ± 0,2 K liegen. Dabei werden an die Kühlung der Hauptspindeleinheit im Vergleich zur Kühlung der Vorschubantriebe und anderen Hilfskomponenten besonders hohe Anforderungen an die Temperaturkonstanz gestellt [5], [6].

Die Hauptspindeleinheit besteht aus einem Antriebsmotor und einem Schaft zur Aufnahme des Werkzeugs und dient so als Antriebssystem für alle rotierenden Werkzeuge des Zerspanprozesses. Der Antriebsmotor ist dementsprechend leistungsstark ausgeführt. Häufig wird die Hauptspindeleinheit von verschiedensten Medien (z.B. KM, KSS, Druckluft, etc.) gleichzeitig durchflossen. Die Hauptwärmequelle der Maschine liegt mit dem Spindelmotor zudem direkt an der Hauptspindeleinheit [7]. Große Temperaturschwankungen und hohe Temperaturen im Spindel- und Vorschubantriebssystem haben dabei negative Auswirkungen auf die Bearbeitungsqualität der Maschine [8]. Deshalb ist es von großer Bedeutung die Bearbeitungswärme aus der Spindel und den Vorschubantrieben möglichst effizient und lastabhängig abzuführen, um deren Temperatur konstant zu halten. Für diese Aufgabe ist vorrangig der Durchlaufkühler der Werkzeugmaschine zuständig, wobei auch der Kühlschmierstoff das Spindelsystem durchläuft und für eine zusätzliche Kühlung sorgt. Für die bedarfsgerechte Bereitstellung der Kälteleistung zum richtigen Zeitpunkt und den dafür nötigen Energieverbrauch ist die Regelungsstrategie des Kälteaggregates entscheidend.

Regelungskonzepte für die Werkzeugmaschinenkühlung

Die aktuell gängigsten Regelungskonzepte der dabei zum Einsatz kommenden Kälteaggregate weisen allerdings Verbesserungspotenziale im Bereich der Energieeffizienz und/oder der Regelgüte der Temperatur auf [9]. In diesem Beitrag werden die unterschiedlichen Regelungskonzepte für Kälteaggregate von Werkzeugmaschinen dargestellt und anhand verschiedener Kriterien relativ zueinander bewertet. Die bewerteten Regelungskonzepte sind die 2-Punkt-Regelung und die Heißgas-Bypass-Regelung, welche aktuell am häufigsten genutzt werden, sowie die 2-Punkt-Regelung mit geregeltem thermischen Pufferspeicher, der Parallelverbund, eine Drehzahlregelung des Verdichters durch Frequenzumrichter, der Digital Scroll Verdichter und die Zylinderabschaltung, welche aktuell nur in Ausnahmefällen genutzt werden.

Für alle Regelungskonzepte ist die Vorlauftemperatur des Kühlmittels die Stellgröße, die Soll-Vorlauftemperatur die Führungsgröße und die Ist-Vorlauftemperatur die Regelgröße.

Erläuterung der Bewertungskriterien für die Regelungsstrategien

Die Bewertungskriterien richten sich nach den Anforderungen an die Werkzeugmaschinenkühlung. Dabei sind auch die Investitions- und Betriebskosten wichtige Aspekte, vor allem für die Nutzer von Werkzeugmaschinen. Die Betriebskosten bestehen dabei in der Bewertung nur aus den Kosten für den Energieverbrauch. Die regelmäßigen Wartungskosten werden hierbei vernachlässigt, da die Höhe des Wartungsaufwandes weitestgehend unabhängig von der Art des Regelungskonzeptes ist. Vor allem in Produktionsumgebungen besteht ein Großteil des Wartungsaufwandes von Durchlaufkühlern aus der Reinigung der verschmutzten Wärmeübertrager des Kälteaggregats. Die Takthäufigkeit eines Systems ist dabei sowohl für den Energieverbrauch als auch für die Lebensdauer des Verdichters relevant. Die Takthäufigkeit beschreibt dabei, wie oft der Verdichter ein- und ausgeschaltet wird, also taktet.

Des Weiteren wird die Regelgüte betrachtet, welche sich aus den Unterkriterien der Temperaturhysterese und der Höhe der Temperaturschwankungen zusammensetzt. Hier wird bewertet wie schnell und zuverlässig das jeweilige Regelungskonzept die geforderte Führungsgröße erreichen kann. Eine hohe Regelgüte ist wichtig, um die Temperatur des Gesamtsystems auch bei schnellen Lastwechseln möglichst konstant zu halten und eine präzise Bearbeitung zu ermög­lichen. Eine schnelle und genaue Anpassung der Regelgröße an die Führungsgröße bedeutet hier gleichzeitig eine schnelle und genaue Anpassung der Kälteleistung und umgekehrt.

Zuletzt wird die Anpassungsfähigkeit des Konzepts betrachtet. Diese besteht aus den Unterkriterien der Anpassungsfähigkeit bezüglich des Energieverbrauchs an den Leistungsbedarf und der bereitgestellten Kälteleistung an den Leistungsbedarf der Maschine, sowie der Anpassungsfähigkeit an äußere Randbedingungen. Eine hohe Anpassungsfähigkeit des Kälteaggregates an verschiedene Randbedingungen ist ausschlaggebend für dessen Energieeffizienz und Regelgüte und damit ein wichtiger Aspekt zur Beurteilung des Regelungsverfahrens.

Zur Einordnung der verschiedenen Konzepte ist in Abbildung 1 dargestellt, welche Regelungskonzepte abhängig von der Kälteleistung heute zur Werkzeugmaschinen- und Prozesskühlung zum Einsatz kommen.

Die Bewertung der Konzepte erfolgte auf Basis der Ergebnisse von selbstständig durchgeführten Umfragen verschiedener Hersteller von Kälteaggregaten von Werkzeugmaschinen, sowie auf Basis einer Literaturrecherche [8]–[14]. Die unterschiedlichen Regelungskonzepte wurden dabei anhand der verschiedenen, oben beschriebenen, Bewertungskriterien und Unterkriterien mit 1-5 Punkten relativ zueinander bewertet und gleichwertig miteinander verrechnet.

2-Punkt-Regelung

Bei der 2-Punkt-Regelung handelt es sich um ein unstetiges Regelungsverfahren und die einfachste Art der Regelung von Kälteaggregaten. Zur Einstellung der Kälteleistung kann der Motor des Verdichters lediglich ein- bzw. ausgeschaltet werden (Abbildung 2). In der Regel werden bei solchen Anlagen geregelte Expansionsventile im Kältekreislauf eingesetzt. Da Expansionsventil, Verdampfer und Verdichter thermohydraulisch eng aufeinander abgestimmt sein müssen, lässt sich bei einer konstanten Verdichterdrehzahl ohne zusätzliche Maßnahmen die Verdampferleistung nur in einem schmalen Bereich exakt regeln. Daher wird Dieses Regelungsverfahren bevorzugt für einfache Systeme mit einem Verdichter und bei geringen Kälteleistungen eingesetzt.

Um häufiges Takten des Verdichters zu vermeiden ist die Führungsgröße bei der 2-Punkt-Regelung ein Temperaturbereich, in welchem sich das Sekundärfluid befinden soll. Dabei wird der Verdichter des Kältekreislaufes aktiviert, sobald die Regelgröße den gewünschten Bereich der Führungsgröße überschreitet. Das Kälteaggregat läuft dann so lange, bis die Regelgröße sich innerhalb des vorgegebenen Bereichs der Führungsgröße befindet. Dadurch schwankt die Vorlauftemperatur des Kühlmittels der Werkzeugmaschine im Betrieb zwischen einer Minimal- und Maximaltemperatur, wodurch nur eine eingeschränkte Regelgüte für die Vorlauftemperatur erreicht werden kann. Die Differenz zwischen Minimal- und Maximaltemperatur ergibt sich dabei aus den Eigenschaften des Gesamtsystems. Die Differenz wird so gewählt, dass übermäßiger Verschleiß des Verdichters durch ein zu häufiges Ein- und Ausschalten vermieden wird, z.B. höchstens 12x Takten pro Stunde. Dabei kann die maximale Taktfrequenz je nach Verdichter variieren.

Häufig werden Kälteaggregate in Werkzeugmaschinen für die höchstmögliche Kühllast bei stationärer Betriebsweise dimensioniert. Diese bestimmt sich aus dem maximal möglichen Wärmeeintrag durch die zu kühlenden Wärmequellen (Antriebsmotoren, Prozesswärme) und durch die Umgebung (Sommerbetrieb in einer Industriehalle, Heißlandanforderungen, etc.). Diese Kühllast wird im realen Betrieb allerdings nur sehr selten abgerufen bzw. wenn, dann nur über eine sehr kurze Zeitspanne. Im realen Betrieb führt die Überdimensionierung des Kälteaggregats in Verbindung mit einer 2-Punkt Regelung zu nur kurzen Laufzeiten und langen Stillstandszeiten oder zu einer hohen Taktfrequenz des Systems. Des Weiteren überlagern sich die Lastspitzen von Kälteaggregat und Werkzeugmaschine, was zu einem stark schwankenden Gesamt-Energiebedarf und somit zu hohen Stromkosten führt [15].

Wegen dieser Eigenschaften eignet sich die 2-Punkt-Regelung vor allem für Anlagen mit einem konstanten Leistungsbedarf oder hoher thermischer Speicherkapazität, sodass das Kälteaggregat möglichst durchgehend im ausgelegten Betriebszustand arbeiten kann. Als thermische Speicherkapazität kann z.B. ein ungeregelter Kühlmitteltank genutzt werden. Je größer die thermische Speicherkapazität ist, desto geringer ist die Temperaturhysterese und bei richtiger Auslegung die Takthäufigkeit des Verdichters.

Trotz aller Nachteile ist diese Art der Regelung aktuell neben der Heißgas-Bypass Regelung (s. übernächster Abschnitt) die am weitesten verbreitete Regelungsstrategie für Kälteaggregate von Werkzeugmaschinen. Dies liegt unter anderem daran, dass der einfache und günstige Aufbau geringe Investitionskosten mit sich bringt. Durch eine Kompensation der Temperaturausdehnung der Werkzeugmaschinenkomponenten kann dennoch eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit gewährleistet werden. Die einfache 2-Punkt-Regelung kommt vor allem im niedrigen Leistungsbereich zwischen 1 kW bis etwa 40 kW zum Einsatz.

2-Punkt-Regelung mit geregeltem thermischem Pufferspeicher

Bei dieser Version der 2-Punkt-Regelung wird der Kühlmittelkreislauf um einen Pufferspeicher mit Bypassleitung und Regelventil(en) erweitert, um eine stetige Regelung von Vorlauftemperatur und Kälteleistung zu realisieren. Zwei mögliche Konzepte sind in Abbildung 3 dargestellt. Dabei wird das Sekundärfluid im Pufferspeicher je nach Konzept unter oder auf die Führungsgröße heruntergekühlt. Im Teillastbetrieb wird das kalte Kühlmittel aus dem Pufferspeicher durch ein geregeltes Mischventil mit Kühlmittel aus dem Verdampfer bzw. dem Rücklauf gemischt, um die Führungsgröße einzustellen. Aktuell nicht benötigte Kälteleistung wird somit als Enthalpiedifferenz des Fluids im Pufferspeicher eingespeichert.     

Bei guter Kenntnis über die mittlere benötigte Kühllast und einem ausreichend großen Pufferspeicher kann das Kälteaggregat auch bei unterschiedlichen Lasten nahezu im Dauerbetrieb genutzt werden. So kann eine sehr geringe und unkritische Takthäufigkeit z.B. < 12x pro Stunde realisiert werden. Zudem ist eine hohe Genauigkeit der Vorlauftemperatur und eine schnelle Reaktion auf dynamische Lastwechsel möglich. Durch den Pufferspeicher können Überlagerungen von Lastspitzen vermieden und kurzzeitig hohe Spitzenlasten abgefangen werden. Dadurch kann auch das Kälteaggregat um den Differenzbetrag zwischen Spitzenlast und mittlerer Last kleiner dimensioniert werden, was die Betriebskosten und die Investitionskosten für den Verdichter verringert. Zudem kann lokal verfügbare regenerative Energie zur Kälteerzeugung genutzt und gespeichert werden. Insgesamt wird so ein sehr energieeffizienter und sicherer Betrieb mit einfachen Komponenten ermöglicht.

Die Nachteile dieses Regelungskonzeptes sind der hohe zusätzliche Platzbedarf durch das Bauvolumen des Speichers und die Zusatzkosten für den Pufferspeicher mit Regelung. Des Weiteren muss die Speicherkapazität bei Inbetriebnahme zuerst auf die jeweilige Medien-Vorlauftemperatur (Regelgröße) heruntergekühlt werden, was zusätzlich Zeit kostet. Für eine möglichst optimale Auslegung des Systems sollten die mittlere Kältelast und der Spitzenlastbedarf bekannt sein. Bei zu kleiner Dimensionierung tritt häufiges Takten des Verdichters auf. Zudem sind je nach Isolierungsgüte und Speicherzeit Energieverluste durch Wärmeabgabe an die Umgebung zu berücksichtigen. Dieses Regelungskonzept wird vergleichsweise selten im Werkzeugmaschinenbereich eingesetzt, auch wenn es vor allem im Teillastbetrieb eine sehr effiziente Alternative darstellt. Dies liegt nicht zuletzt an einer Limitierung des Speichervolumens durch den begrenzten Einbauraum in Werkzeugmaschinen. Der Einsatzbereich erstreckt sich hierbei bis zu einer Kälteleistung von etwa 50 kW [9], [10].

Heißgas-Bypass Regelung

Die Heißgas-Bypass-Regelung wird als stetiges Regelungsverfahren von vielen Kälte­aggregatsherstellern für Prozesskühlung im kleinen bis mittleren Leistungsbereich bis zu einer Verdampferleistung von etwa 130 kW als Alternative zur 2-Punkt-Regelung mit hoher Regelgüte eingesetzt [10]. Bei der Heißgas-Bypass Regelung wird zwischen der direkten (Abbildung 4 links) und indirekten Variante (Abbildung 4 rechts) unter­schieden.         

Bei der direkten Heißgas-Bypass Regelung wird Heißgas durch eine Bypassleitung vom Verdichteraustritt (Hochdruckseite) auf die Saugseite zum Verdichtereintritt (Niederdruckseite) geleitet. Die Heißgasmenge wird dabei durch ein stetig regulierbares Magnetventil (1) in der Bypassleitung geregelt. Durch den Bypass sinkt der Kältemittelmassenstrom durch den Verdampfer, was die Kälteleistung verringert und die Überhitzung erhöht. Infolgedessen steigt der Druck auf der Niederdruckseite und im Verdampfer, da das Expansionsventil (3) zum Halten der Überhitzungstemperatur weiter öffnet und mehr Kältemittel hindurch lässt. Dadurch steigt die Verdampfungstemperatur, wodurch die Temperaturdifferenz zwischen Kältemittel und dem zu kühlenden Fluid sinkt und damit die Verdampferleistung abnimmt. Bei 100 % Leistungsbedarf ist das Magnetventil (1) vollständig geschlossen.

Da der Verdichter durch das Kältemittel gekühlt wird, muss eine Überhitzung des Verdichters durch das Heißgas verhindert werden. Dies wird mit Hilfe einer Bypassleitung mit kondensiertem Kältemittel vom Kondensatoraustritt in die Sauggasleitung vor dem Verdichtereintritt realisiert. In dieser Leitung befindet sich das sogenannte Nacheinspritzventil (2), das anhand der Sauggastemperatur des Verdichters geregelt wird. Ist das Sauggas zu heiß, öffnet sich dieses Ventil (2) und mischt kondensiertes Kältemittel bei, welches verdampft, um das Sauggas zu kühlen [10]-[12].

Bei der indirekten Heißgas-Bypass Regelung wird das Heißgas vom Verdichteraustritt ­direkt vor dem Verdampfer eingespeist. Durch die Mischung des Heißgases mit dem kalten Kältemittel verdampft das Kältemittel zum Teil bereits in der Zuleitung. So steht weniger zu verdampfendes Kältemittel zur Verfügung, wodurch sich die Kälteleistung verringert und die Überhitzung steigt. Verdampfungsdruck und -temperatur steigen auch hier durch die Reaktion des Expansionsventils (3) und die Verdampferleistung sinkt [10], [11].

Die Vorteile beider Konzepte der Heißgas-Bypass-Regelung liegen in einer schnellen und stufenlosen Leistungsregelung zwischen 0 % und 100 % und der hohen Regelgüte bei der Einstellung der Führungsgröße. Dadurch können häufige Stillstandszeiten und häufiges Takten wie bei der 2-Punkt-Regelung von Kälteaggregaten in Teillastbetrieb weitgehend vermieden werden. Der einfache Aufbau der Heißgas-Bypass Regelung ist zudem kostengünstig.

Der Nachteil ist der konstant hohe Energieverbrauch und damit die schlechtere Energieeffizienz im Vergleich zu den anderen hier vorgestellten Konzepten. Der Verdichter läuft leistungsunabhängig mit konstanter Drehzahl und verdichtet dabei stets einen vielfach höheren Kältemittelvolumenstrom als tatsächlich benötigt wird. Die Differenz zwischen der jeweils aktuellen Kälteleistung und der Maximalkälteleistung, die bei der Nutzung des gesamten Kältemittelstroms zur Verfügung stehen würde, wird daher dissipiert. Die Heißgas-Bypass Regelung kommt in Werkzeugmaschinen hauptsächlich als Alternative zur 2-Punkt-Regelung zum Einsatz, wenn hohe Bearbeitungsgenauigkeiten und hohe Regelgüten benötigt werden.

Mehrere Verdichter in Parallelschaltung

Die Parallelschaltung mehrerer Verdichter, auch Parallelverbund genannt, kann in vielen Bereichen genutzt werden. Im Anwendungsbereich der Werkzeugmaschinenkühlung kommt diese Art der Regelung erst bei höheren Leistungsklassen mit mehreren Verdichtern zum Einsatz. Dabei werden mehrere Verdichter mit gleicher oder unterschiedlicher Leistung im selben Kältekreislauf parallel zueinander betrieben, wie in Abbildung 5 zu sehen ist. Bei Verdichtern unterschiedlicher Leistungen können dementsprechend mehr unterschiedliche Stufen realisiert werden. Je nach Leistungsbedarf können dann einzelne Verdichter zu- oder abgeschaltet werden. Optional kann einer der Verdichter mit Frequenzumrichter (FU) betrieben werden, um Stufensprünge auszugleichen. Je nach Variante handelt es sich dabei um eine stetige oder unstetige Leistungsregelung mit einer guten bis sehr guten Regelgüte abhängig von der Intelligenz der Steuerung und der Anzahl der Leistungsstufen [10], [12], [13].   

Die Investitionskosten variieren ebenfalls in Abhängigkeit der genutzten Variante. Ein Vorteil dieses Regelungsverfahrens ist es, dass es bei Systemen, die leistungsbedingt bereits über mehrere Verdichter verfügen ohne große Zusatzkosten genutzt werden kann. Da im Bereich der Werkzeugmaschinenkühlung jedoch in der Regel leistungsbedingt nur wenige Verdichter in einem Kältekreislauf verbaut werden, lassen sich dementsprechend nur wenige Leistungsstufen realisieren. Die Takthäufigkeit der Verdichter lässt sich gegenüber der 2-Punkt-Regelung verringern und damit auch die Regelgüte erhöhen. Dennoch ist die Takthäufigkeit gegenüber den anderen hier vorgestellten Konzepten erhöht und die Regelgüte verringert. Dieses Regelungskonzept wird bei Kälteleistungen ab etwa 15 kW eingesetzt.

Verdichter mit Frequenzumrichter

Mit einem Frequenzumrichter für den Verdichter lässt sich die Drehzahl des Verdichter-Motors anpassen. Der Aufbau dieses Regelungskonzeptes ist in Abbildung 6 zu sehen. Durch die Anpassung der Verdichterdrehzahl lässt sich der Kältemittelmassenstrom im Kältekreislauf verändern. Dadurch steht je nach Drehzahl weniger oder mehr Kältemittel pro Zeiteinheit für die Verdampfung und Kondensation in den Wärmeübertragern zur Verfügung und damit weniger oder mehr Kälteleistung. Die Leistungsaufnahme des Verdichters hängt ebenfalls von der Drehzahl ab und ist somit an den jeweiligen Leistungsbedarf angepasst, was energetische Vorteile im Teillastbetrieb mit sich bringt. Dadurch ist mit diesem Regelungskonzept eine stetige und bedarfsgerechte Anpassung der Leistungsaufnahme/ -abgabe des Kältekreislaufs möglich. Auch auf die Änderung an äußere Randbedingungen, wie z.B. die Umgebungstemperatur, kann hiermit flexibel reagiert werden. Bei geringen Umgebungstemperaturen lässt sich der/die benötigte Kondensationsdruck/-temperatur und somit die benötigte Verdichterleistung verringern. So lässt sich ein sehr flexibler, energieeffizienter und wirtschaftlicher Betrieb mit sehr hoher Regelgüte bei nur geringer Takthäufigkeit realisieren. Beim Einschalten des Verdichters ist zudem ein Softstart möglich, durch welchen die Anlaufstromspitzen und der Verdichterverschleiß reduziert werden.     

Ein Nachteil ist, dass im Gegensatz zum Heißgas-Bypass keine stetige 0-100 % Leistungs­regelung möglich ist. Unterhalb eines gewissen Kältemittelmassenstroms ist sonst die Ölrückführung zum Verdichter nicht mehr gewährleistet, weshalb die Minimalleistung meist bei ca. 30-40 % begrenzt ist. Bei den Anderen hier vorgestellten Konzepten ist der nötige Mindestmassenstrom durchgängig gegeben, weshalb die Ölrückführung dort unkritisch ist. Des Weiteren hat der Frequenzumrichter einen gewissen Eigenstrombedarf von ca. 10 % wodurch die Effizienz im Volllastbetrieb ohne Frequenz­umrichter höher ist. Der größte Nachteil ist jedoch das hohe zusätzliche Investitionsvolumen durch den Frequenzumrichter. Verdichter mit Frequenzumrichter können über den gesamten Leistungsbereich von Werkzeugmaschinen hinweg eingesetzt werden [9], [10], [12], [13].

Weitere typenspezifische Regelungs­konzepte

Neben den bisher genannten Regelungskonzepten gibt es noch weitere Leistungsregelungskonzepte, die allerdings nur für bestimmte Verdichterbauweisen verfügbar sind. Darunter fallen z.B. der Digital Scroll (Scrollverdichter), die Zylinderabschaltung (Hubkolbenverdichter) und der Leistungsschieber (Schraubenverdichter). Schraubenverdichter kommen im Normalkältebereich vorrangig in höheren (Kälte-)Leistungsklassen, ab ca. 350 kW vor. Diese Größenordnung übersteigt den Kühlbedarf von Werkzeugmaschinen, weshalb dieses Regelungskonzept hier nicht weiter betrachtet wird.

Beim Digital Scroll Verdichter (DS) kann die Kälteleistung durch Kapazitätskontrolle und Pulsweitenmodulation geregelt werden. Ein Scroll Verdichter besteht aus zwei ineinandergreifenden Spiralen, wovon eine fest montiert ist und die andere sich relativ zu dieser bewegt. Die bewegliche Spirale sitzt auf einer Exzenterwelle, deren Bewegung in Kombination mit den Spiralen den Gasraum immer weiter verkleinert und das Kältemittelgas so verdichtet. Dabei verfügt der Verdichter über einen Last- und einen lastfreien Zustand. Im lastfreien Zustand wird kein Kältemittel verdichtet. Der Motor läuft dabei mit konstanter Drehzahl weiter, daher muss weiterhin die elektrische Leistung zum Ausgleich von Reibungsverlusten im Verdichter aufgebracht werden. Es kann durch ein Magnetventil zwischen den beiden Zuständen umgeschaltet werden, indem die obere Scrollspirale des Verdichters in axialer Richtung angehoben wird. Dadurch wird die Volumentrennung der Verdichterkammern aufgehoben, wodurch unverdichtetes Kältemittel durch den Verdichter strömt. Dies verringert die Verdichterleistung und damit die Kälteleistung. Je nach erwünschter Leistung wird der Verdichter anteilig im Last- und lastfreien Zustand betrieben, wodurch sich über ein definiertes Zeitintervall hinweg eine bestimmte mittlere Kälteleistung ergibt. Dieses Verfahren ermöglicht eine stufenlose Regelung der Kälteleistung in einem großen Regelbereich von ca. 10-100 %. Die Effizienz ist bei 100 % Leistung am höchsten und nimmt im Teillastzustand leicht ab, während die maximale Effizienz FU-geregelter Verdichter meist im Teillastzustand liegt. Welches der beiden Verfahren effizienter ist hängt daher vom Anwendungsfall ab. Zudem ist der Verschleiß dieses Verdichtertyps wegen des häufigen Taktens der Scrollspirale erhöht. Digital Scroll Verdichter werden in einem Leistungsbereich zwischen 3 kW bis etwa 50 kW Kälteleistung eingesetzt [9], [10], [14], [16].

Bei der Zylinderabschaltung (ZA) handelt es sich um eine unstetige Art der Leistungsregelung. Dabei wird der Saugkanal einzelner Zylinder abgesperrt, wodurch sich die jeweiligen Kolben im Leerlauf befinden und kein Kältemittel verdichten. Der Wirkungsgrad dieses Regelungskonzeptes ist in allen Betriebszuständen sehr hoch, da bei Zylinderabschaltung nur die mechanische Reibung kompensiert werden muss. Da der Verdichter im Gegensatz zum Parallelverbund (VP) während der meisten Leistungsstufen weiter läuft ist die Takthäufigkeit und somit der Verschleiß sehr gering. Voraussetzung hierfür ist allerdings ein Verdichter in einer Mehrzylinderbauweise. Je nach Anzahl der Zylinder lassen sich entsprechend viele Leistungsstufen realisieren. Im Bereich der Werkzeugmaschinen kommt dieses Konzept jedoch eher selten zum Einsatz. Der Leistungsbereich, in dem Zylinderabschaltung genutzt werden kann erstreckt sich hierbei über den gesamten Anwendungsbereich von Werkzeugmaschinen [10], [13].

Vergleich der Regelungskonzepte

Schlussendlich ist in Abbildung 7 ein Vergleich aller Regelungskonzepte relativ zueinander anhand der im Kapitel „Erläuterung der Bewertungskriterien für die Regelungsstrategien“ vorgestellten Bewertungskriterien zu sehen. Hier ist gut erkennbar, dass Regelungsverfahren mit hoher Regelgüte und Anpassungsfähigkeit, sowie geringen Betriebskosten mit erhöhten Investitionskosten verbunden sind. Konzepte mit niedrigen Investitionskosten sind hingegen mit geringerer Regelgüte oder Anpassungsfähigkeit sowie mit höheren Betriebskosten verbunden.

Ausblick

Durch die steigenden Zusatzkosten für hohen CO₂-Ausstoß nimmt die Wichtigkeit eines verringerten CO₂-Fußabdruckes von energieintensiven Anwendungen stetig zu. Damit einher geht die Notwendigkeit einer erhöhten Energieeffizienz und die erhöhte Nachfrage nach Systemen mit hoher Flexibilität und bedarfsgerechter Leistungsbereitstellung. Dies verringert bei Durchlaufkühlern für Werkzeugmaschinen die Attraktivität von derzeit gängigen Regelungsverfahren wie der 2-Punkt-Regelungen und der Heißgas-Bypass-Regelung. Auf der anderen Seite werden energieeffizientere Regelungsverfahren mit höheren Investitionskosten, wie z.B. Verdichter mit Frequenzumrichter oder der Digital-Scroll-Verdichter attraktiver, da diese langfristig wirtschaftlicher sind. Für sehr große Systeme wäre z.B. der Parallelverbund aus mehreren Verdichtern mit einem drehzahlgeregelten Verdichter eine wirtschaftliche Lösung.

Um sich an wetterbedingte Leistungsschwankungen auf Grund von erneuerbaren Energien im Stromnetz anpassen zu können, ist neben der Pufferspeicherregelung auch das Prinzip der modellprädiktiven Regelung (MPC) in diesem Anwendungsfeld potenziell sehr interessant. Dabei wird die benötigte Kältelast auf Basis eines Simulationsmodells oder einer (Wetter-)Prognose im vornherein ermittelt, wodurch die Regelung des Kälteaggregates bereits vorab die anstehenden Lasten kennt. In Kombination mit einem Pufferspeicher kann dieses Verfahren noch effizienter genutzt werden. So kann das Stromnetz der Zukunft zusätzlich durch Lastflexibilisierung entlastet und Lastspitzen geglättet werden. Die MPC wird derzeit allerdings vor allem im Gebäudesektor genutzt, wo nur wenige Lastwechsel im Vergleich zu Werkzeugmaschinen vorkommen.

Welches Regelungskonzept schlussendlich eingesetzt wird hängt stark vom jeweiligen Anwendungsfall und der damit verbundenen Wirtschaftlichkeit des Konzeptes für den Endkunden ab. Die energieeffizienteste und anpassungsfähigste Variante für die meisten Anwendungen in Werkzeugmaschinen ist jedoch jene mit Frequenzumrichter. Im Bereich der Kältetechnik kommt zudem noch die Umstellung von FKW auf natürliche Kältemittel hinzu, welche mit weiteren Herausforderungen und Möglichkeiten verbunden ist.

Danksagung

Die Arbeiten wurden im Rahmen des Vorhabens EnEffWerk (FKZ: 03EN4038A-F) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert. Die Autoren bedanken sich herzlich für die Förderung des BMWK und das Vertrauen in unsere Arbeit im Rahmen des Verbundprojektes EnEffWerk.

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Literatur

[1] Europäischer Grüner Deal. Zugegriffen: 5. Juli 2023. [Online]. Verfügbar unter: https://commission.europa.eu/strategy-and-policy/priorities-2019-2024/european-green-deal_de

[2] G. Preuß, „Energiebedarf für Kaeltetechnik in Deutschland - Eine Abschätzung des Energiebedarfs von Kältetechnik in Deutschland nach Einsatzgebieten 2017“. VDMA. Zugegriffen: 5. Juli 2023. [Online]. Verfügbar unter: https://www.fuchs.com/fileadmin/schmierstoffe/Produkte/Lieferprogramm/Industrieschmierstoffe/Kaeltemaschinenoele/Energiebedarf_fuer_Kaeltetechnik_in_Deutschland_Herausgeber_Forschungsrat_Kaeltetechnik_e.V._im_VDMA.pdf

[3] L. Shabi, J. Weber, und J. Weber, „Analysis of the Energy Consumption of Fluidic Systems in Machine Tools“, Procedia CIRP, Bd. 63, S. 573–579, 2017, doi: https://doi.org/10.1016/j.procir.2017.03.348.

[4] U. Götze, „Integrated methodology for the evaluation of the energy-and cost-effectiveness of machine tools.“.

[5] C. Brecher und Deutschland, Hrsg., Effizienzsteigerung von Werkzeugmaschinen durch Optimierung der Technologien zum Komponentenbetrieb - EWOTeK: Verbundprojekt im Rahmenkonzept „Forschung für die Produktion von morgen“, „Ressourceneffizienz in der Produktion“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), 1. Aufl. Aachen: Apprimus Verlag, 2012.

[6] B. Denkena, B. Bergmann, und H. Klemme, „Cooling of motor spindles—a review“, Int. J. Adv. Manuf. Technol., Bd. 110, Nr. 11–12, S. 3273–3294, Okt. 2020, doi: 10.1007/s00170-020-06069-0.

[7] Y.-C. Chiu, P.-H. Wang, und Y.-C. Hu, „The Thermal Error Estimation of the Machine Tool Spindle Based on Machine Learning“, Machines, Bd. 9, Nr. 9, S. 184, Aug. 2021, doi: 10.3390/machines9090184.

[8] B. Denkena, Hrsg., NC Plus: prozess- und wertschöpfungsorientiert gesteuerte Werkzeugmaschine ; Abschlussbericht. in Berichte aus dem IFW. Garbsen: PZH-Verl, 2013.

[9] E. Abele, T. Sielaff, und M. Beck, „Schlussbericht zum Projekt Maxiem - Maximierung der Energieeffizienz spanender Werkzeugmaschinen“. 2014. Zugegriffen: 24. November 2023. [Online]. Verfügbar unter: http://tubiblio.ulb.tu-darmstadt.de/64540/

[10] K. Manfred, Siemens Kältetechnik - Building Technologies. Siemens, 2017. Zugegriffen: 14. November 2023. [Online]. Verfügbar unter: https://sid.siemens.com/v/u/A6V10327350

[11] D. Schmidt und Institut für Kälte-, Klima- und Energietechnik, Hrsg., Lexikon Kältetechnik, 3., Überarb. und Erweiterte Aufl. Berlin Offenbach: VDE Verlag GmbH, 2014.

[12] K. Reisner und T. Reisner, Fachwissen Kältetechnik: eine Einführung für die Aus- und Weiterbildung mit Aufgaben und Lösungen, 7., neu Bearbeitete Auflage. Berlin Offenbach: VDE VERLAG GMBH, 2022.

[13] „Kompetenz in Leistungsregelung.pdf“. Bitzer Kühlmaschinenbau GmbH. Zugegriffen: 19. September 2023. [Online]. Verfügbar unter: https://www.bitzer.de/shared_media/documentation/a-600-6.pdf?P=/doc/&N=a-600-6.pdf&utm_source=BitzerSW&utm_campaign=pdf&utm_medium=Verweis

[14] A. Ney, „Leistungsregelung von Kompressions-Kälteanlagen“.

[15] R. S.-H. Popp, „Energieflexible, spannende Werkzeugmaschinen – Analyse, Befähigung und Erfolgsaussichten“, Technische Universität München, München, 2020. Zugegriffen: 21. September 2023. [Online]. Verfügbar unter: https://d-nb.info/1220831425/34

[16] S.-C. Hu und R.-H. Yang, „Development and testing of a multi-type air conditioner without using AC inverters“, Energy Convers. Manag., Bd. 46, Nr. 3, S. 373–383, Feb. 2005, doi: 10.1016/­j.enconman.2004.03.008.