Energieeffizienter Betrieb von Kühlschmierstoff-Reinigungsanlagen mit Anschwemmfiltern

Abstract

Bei der spanenden Metallbearbeitung mit Kühlschmierstoff werden zur Kühlschmierstoffaufbereitung bevorzugt zentrale Kühlschmierstoff-Reinigungsanlagen eingesetzt, in denen der Kühlschmierstoff zur Aufrechterhaltung des erforderlichen Reinheitsgrads permanent gereinigt wird. Beim Einsatz von Anschwemmfiltern besteht ein hohes Potenzial zur Erhöhung der Energieeffizienz. Aufgrund der Wirkungsweise der Anlagen muss der Filter regeneriert werden, sobald der mit der Pumpe durchsetzbare Förderstrom durch die mit der Zeit ansteigende Filterverschmutzung einen bestimmten Grenzwert unterschritten hat. Bisher werden die Pumpen nicht geregelt und zusätzlich gedrosselt, da dadurch auf einfache Weise über den am Filter messbaren Druck der durchsetzbare Förderstrom bewertet werden kann. Dadurch werden die Anlagen unabhängig vom momentanen Bedarf an gereinigtem Medium konstant unter Volllast und ineffizient betrieben. In dieser Arbeit wird ein Verfahren zum energieeffizienten Betrieb von zentralen Kühlschmierstoff-Reinigungsanlagen mit Anschwemmfiltern vorgestellt. Bei diesem wird der Förderstrom durch die Filter über eine Folgeregelung mit drehzahlverstellbaren Pumpen an den Bedarf an gereinigtem Medium angepasst, wodurch der Energieeinsatz bei geringerem Bedarf reduziert wird. Der am Filter messbare Druck variiert im geregelten Betrieb mit der Förderstromanpassung und ist kein Maß mehr für den durchsetzbaren Förderstrom. Daher wird im geregelten Betrieb über ein Berechnungsmodell der Druck am Filter rekonstruiert, der sich beim ungeregelten Betrieb der Pumpe ergeben würde. Hierzu wird ein Berechnungsmodell in Form von einfach ausführbaren Algorithmen vorgestellt, welches eine leichte Identifikation im laufenden Betrieb ermöglicht. Das Verfahren wurde an einer Bestandsanlage erfolgreich umgesetzt. An der betrachteten Anlage ergibt sich durch das Verfahren, bei der Verwendung der bestehenden gedrosselten Pumpen, ein Energieeinsparpotenzial von 62 %. Die Bewertung des Einsatzes des Verfahrens mit einer auf eine möglichst hohe Energieeffizienz ausgewählten Pumpe ergibt ein Energieeinsparpotenzial von 73 %.

The coolant supply uses in typical applications of metal cutting manufacturing on average 50 % of the electrical energy. A main optimization option is the retrofit of demandbased control strategies in the supply system. The study of the state of the art shows that a high energy saving potential remains in central precoat filter systems for coolant cleaning. The achievable flow rate through the precoat filter with the filter pump is reduced in filter operation due to the rising filter resistance. The precoat filters in the filter system need to be regenerated as soon as the achievable flow rate through the filters falls below a certain level. So far the filter pumps are throttled and operated constantly with maximum speed since this allows triggering the regeneration based on the filter pressure. Thereby the filter systems are operated constantly on an excessive power level, independent on the coolant demand. Within this thesis, an automation procedure for an energy efficient operation of central precoat filter systems is presented. The flow rates through the filters are regulated demand-based with a follow-up control using variable speed pumps. Thereby the energy intake is adapted based on the current coolant demand. The filter pressure is no longer utilizable to trigger the filter regeneration due to the variation of the flow rate. Therefore the filter pressure which would arise in uncontrolled operation is reconstructed in controlled operation with measured variables using a model. The presented procedure was successfully implemented in an existing central precoat filter system. The energy saving potential using the existing pumps and throttle setting is 62 %. Simulation results using filter pumps which allow in addition a reduction of the throttle lead to the conclusion that the energy saving potential is 73 %.