Energieverbrauch senken

Energieoptimierte Extrusion dank Granulatvorwärmung

Im Rahmen des Verbundprojektes Green Factory Bavaria wurde das Projekt „Energieoptimierte Extrusion durch Granulatvorwärmung“ kurz Energran, bearbeitet. Als Projektpartner arbeiteten die Hochschule Hof, Extruderhersteller Hans Weber Maschinenfabrik, Das Unternehmen H.N. Zapf, die GfK-Gesellschaft für angewandte Kunststofftechnik und die Schwender Energie- und Gebäudetechnik zusammen.

Versuchsaufbau mit Granulatbehälter und Extruder. (Bild: Autoren)

Bei der Extrusion wird fast die gesamte eingebrachte elektrische Energie in Wärme umgesetzt. An verschiedenen Stellen der Strecke kann Abwärme erfasst und wieder in den Extrusionsprozess eingebracht werden. Eine Möglichkeit ist, erwärmte Abluft zur Vorwärmung des Granulats zu verwenden und so den Energiebedarf der Plastifizierung zu verringern. Ziel des Projekts war es, den Einfluss der Vorwärmung des PE-HD-Granulats auf den Energieverbrauch des Extruders zu untersuchen. Daraus sollte abgeschätzt werden, ob sich der Aufwand für das Erfassen und Nutzen der Abwärme rechnet.

Zunächst wurde in Vorversuchen das Temperaturprofil von PE-Granulat (PE-HD Hostalen ACP 5331 A, bereitgestellt von Lyondellbasell) während des Durchlaufs durch einen modifizierten Granulattrocker von GfK untersucht. Dabei wurde eine Kombination aus Materialstrom und Warmluft gefunden, so dass dann Energiemessungen an einer geeigneten Produktionsstrecke folgten.

Versuchsstand am Institut für Materialwissenschaften der Hochschule Hof. (Bild: Autoren)

Um die Energieeinsparung quantifizieren zu können, wurde der Leistungsbedarf des Extruders bei unterschiedlichen Granulattemperaturen aufgezeichnet. Das Granulat wurde dazu in einem Granulatbehälter vorgewärmt und danach dem Extruder zugeführt. Ein Seitenkanalverdichter saugt Luft aus der Umgebung an und führt sie einer elektrischen Heizung zu, die sie auf die gewünschte Temperatur bringt. Hat das Granulat die Soll-Temperatur erreicht, wird es dem Extruder zugeführt und dessen Leistungsbedarf mit Strommesszangen ermittelt. Mit zunehmender Granulattemperatur sinkt der spezifische Energieverbrauch des Extruders um bis zu 8 Prozent.

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Die zur Vorwärmung des Granulats benötigte warme Luft kann als Abwärme dem Extrusionsprozess an mehreren Stellen entnommen werden. Die Abluft der Zylinderkühlung erreicht eine mittlere Temperatur von 105 °C. Die Seitenkanalverdichter bei der Materialförderung erzeugen ein Ablufttemperaturniveau zwischen 70 und 80 °C. Bei der Extrusion von Rohrprofilen kann die Abkühlstrecke mit einer Rohrinnenkühlung ausgestattet sein. In diesem Fall wird Umgebungsluft von einem Sauggebläse angesaugt und entgegen der Extrusionsrichtung geleitet. Damit kühlt das Rohr ab und es entsteht Abluft, die bis 150 °C erreichen kann.

Aufwendige Messtechnik kennzeichneten die Versuche zu den Auswirkungen der Granulatvorwärmung. (Bild: Autoren)

Im Gegensatz zur Abluft aus der Zylinderkühlung oder Rohrinnenkühlung wird die Abluft eines Seitenkanalverdichters diskontinuierlich erzeugt. Um eine kontinuierliche Aufwärmung des Granulats im Granulatbehälter zu gewährleisten, sollte die Abluft mehrerer Seitenkanalverdichter über eine Sammelleitung zusammengefasst werden. Da diese sich in räumlicher Nähe zur Materialbereitstellung befinden, ist der Aufwand für eine solche Vorwärmeinrichtung überschaubar. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass das tatsächliche Energieeinsparpotential nur individuell betriebspunktabhängig ermittelt werden kann.

Der Beitrag basiert auf einem Manuskript von Roland Krause und Professor Herbert Reichel, Institut für Materialwissenschaften an der Hochschule Hof.

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