Klimatechnik So erhöht ein Chiller mit Inverter-Technik die Energieeffizienz bei Werkzeugmaschinen

Bei der spanenden Metallbearbeitung spielt die Kühlung der Werkzeugmaschinen eine wichtige Rolle, weil die präzise Bearbeitung direkt von der Temperaturkonstanz abhängt. Rückkühlaggregate von Rittal, die mit der so genannten Inverter-Technologie arbeiten, bieten eine hohe Effizienz und können so helfen, die Betriebskosten zu senken - wie eine aktuelle Studie zeigt.

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In Zeiten steigender Energiekosten beschäftigen sich in den unterschiedlichsten Gebieten Forschergruppen mit Möglichkeiten, die Energieeffizienz von Maschinen oder Verfahren zu erhöhen. So arbeitet etwa die Arbeitsgruppe von Dr.-Ing. Tomáš Holkup am Research Center for Manufacturing Technology (RCMT) der Czech Technical University (CTU) in Prag am Projekt „Ecodesign beim Bau von Werkzeugmaschinen“. Ziel ist es, Werkzeugmaschinen energieeffizienter zu konstruieren und so die tschechische Werkzeugmaschinenbranche zu unterstützen.

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Die Untersuchung betrachtet sämtliche relevanten Bereiche einer Werkzeugmaschine – von der Gesamtkonzeption über die Steuerungstechnik bis hin zu Hydraulik und Pneumatik. Auch die Kühlung, die bei Werkzeugmaschinen eine wichtige Rolle spielt wurde im Rahmen des Forschungsprojekts untersucht.

Rund 15 Prozent des Gesamtenergiebedarfs für die Kühlung

Eine Werkzeugmaschine setzt etwa 15 Prozent der gesamten verbrauchten Energie für die Kühlung ein. Dabei entfallen ungefähr drei Prozent auf die Schaltschrank-Klimatisierung und 12 Prozent auf die Kühlung im Rahmen der Bearbeitung.

Die Kühlung der Spindel ist bei einer Werkzeugmaschine besonders wichtig, da die Wärmeausdehnung von Komponenten einen direkten Einfluss auf die Genauigkeit der Bearbeitung hat. Daher muss die Temperatur in diesem Bereich sehr genau geregelt werden – üblicherweise fordert man eine maximale Hysterese von 0,5 K. Größere Temperaturschwankungen würden zu Ungenauigkeiten am bearbeiteten Werkstück führen.

Kühlung für Schaltschrank und Prozess

Die Kühlung der Maschine kann natürlich über eine zentrale Kühlwasserversorgung geschehen. Häufiger arbeiten Werkzeugmaschinen jedoch mit einer unabhängigen Kühlwasserversorgung, bei der ein so genannter Chiller direkt in die Maschine integriert ist. Dieser liefert das Kühlwasser für die Maschinenkühlung und kann über einen Luft-Wasser-Wärmetauscher gleichzeitig die Schaltschrank-Klimatisierung übernehmen. Im Chiller erzeugt eine Kompressor-Kältemaschine die benötigte Kälteleistung und bringt damit das Kühlwasser auf die gewünschte Temperatur.

Üblich ist dabei die Zwei-Punkt-Regelung: Der Kompressor wird eingeschaltet, wenn eine eingestellte Maximaltemperatur des Kühlwassers überschritten wird. Beim Unterschreiten der Minimaltemperatur schaltet die Kältemaschine wieder aus. Damit lässt sich die geforderte kleine Hysterese für die Maschinenkühlung allerdings nicht realisieren, weil das häufige Ein- und Ausschalten die Lebensdauer der Komponenten negativ beeinflussen würde.

Als Alternative kommt in der Klimatechnik deswegen häufig die Heißgas-Bypass-Regelung zum Einsatz. Dabei läuft der Kältekompressor stets unter Volllast. Die gewünschte Temperatur wird dann dadurch geregelt, dass heißes Kältemittel aus dem Rücklauf über ein Regelventil dem Vorlauf zugeführt wird. Dieser Heißgas-Bypass ist gewissermaßen eine künstliche Wärmequelle, die sehr genau geregelt werden kann. Da hierbei ein Teil der Kälteleistung künstlich vernichtet wird und die Klimatisierung immer auf den größten Bedarf ausgelegt sein muss, ist die Energieeffizienz dieser Methode vergleichsweise schlecht. Denn der Wirkungsgrad wird dabei umso schlechter, je weniger Kälteleistung benötigt wird.

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