Energeticky úsporné chlazení obráběcích strojů

Na výzkumném projektu MAXIEM (Maximalizace energetické účinnosti obráběcích strojů), jenž je podporován Spolkovým ministerstvem hospodářství SRN a technologie, pracují projektoví inženýři na optimalizaci obráběcích strojů pro třískové obrábění kovů. Jejich cílem je snížit spotřebu energie obráběcích strojů. Kromě výrobců strojů a dodavatelů jednotlivých komponent spolupracují na projektu také uživatelé těchto strojů z automobilového průmyslu a výzkumných ústavů.

V rámci výzkumného projektu prověřoval tým profesora Eberharda Aberleho na Institutu pro řízení výroby, technologii a obráběcí stroje (PTW) Technické univerzity v Darmstadtu referenční stroj a poukázal na možnosti, jak lze zlepšit energetickou účinnost. Nejdříve analyzoval, kolik energie spotřebují jednotlivé komponenty a systémy. Jako jeden z důležitých výsledků bylo prokázáno, že chlazení obráběcího stroje tvoří 15 % z celkové spotřeby, přičemž 3 % připadají na chlazení elektrorozvaděče a 12 % na chlazení vlastního obráběcího stroje. Právě na chlazení vřetena se klade velký důraz, protože teplota zde musí být regulována velice přesně. Obvykle je vyžadována hystereze 0,5 K, aby byla zaručena potřebná přesnost obrábění. Pokud teplota kolísá více, vede to díky teplotní roztažnosti komponent k výrobním nepřesnostem obrobku.

Aby bylo možné obráběcí stroj provozovat nezávisle na externím napájení chladicí vody, je do systému integrován chladič kapalin (chiller), který zajišťuje studenou vodu pro obráběcí stroj. Chladič kapalin je napojen na chladicí systém obráběcího stroje, a zároveň zajišťuje klimatizaci elektrického rozváděče prostřednictvím tepelného výměníku voda-vzduch. V chladiči kapalin je veškeré teplo z technologie odvedeno do okolí za použití kompresorového chladicího okruhu. Běžně je takovýto chladicí stroj regulován systémem start-stop. Při překročení nastavené teploty je chladič kapalin sepnut a po dosažení požadované teploty se opět vypíná.

Při tomto typu řízení však není možné použít malou hysterezi, a to z důvodu častého spínání kompresoru, které negativně ovlivňuje životnost kompresoru, respektive celého chladiče. Jako alternativa se proto v klimatizační technice často používá tzv. regulace obtokem horkých par. Při tomto typu regulace běží kompresor chlazení stále s plným zatížením. Požadovaná teplota se pak reguluje tím, že se horké páry chladiva vracejí z výtlaku kompresoru zpět na sání kompresoru přes regulační ventil a část chladicího výkonu je úmyslně z důvodu regulace mařena. Tento typ regulace výrazně snižuje energetickou účinnost chilleru.

Čím více budeme snižovat výkon chilleru, tím horší účinnosti budeme dosahovat, protože budeme nuceni mařit více energie. Je ovšem nutné pamatovat na to, že chiller je vždy navržen na maximální výkon při nejnepříznivějších provozních podmínkách. A z toho vyplývá, že energetická účinnost může být při nepříznivých provozních podmínkách velmi nízká.

Další možností k dosažení teploty s požadovanou přesností je použití frekvenčně (invertorově) řízených chladicích kompresorů. Invertorově řízené chladiče – jaké v současnosti vyvíjí společnost Rittal – k tomu používají chladicí kompresor s DC bezkartáčovým elektromotorem. Tento frekvenčně řízený trojfázový DC synchronní motor s permanentním buzením dosahuje vyšší účinnosti než běžné AC asynchronní motory, a to ve většině provozních stavů. Frekvenční měnič transformuje střídavé napětí na stejnosměrné, jež se poté ve formě impulzů přivádí do motoru. Regulace otáček se poté děje vždy podle potřeby výkonu pomocí pulzně šířkové modulace nebo – při vyšších výkonech – zvýšením amplitudy impulzu. U pulzně šířkové modulace má napětí konstantních 325 V, zatímco šířka pulzu se mění od 13 Hz do 107 Hz. Při potřebě vyššího výkonu zvýší měnič napětí na 360 V DC.

Při použití této invertorové regulace kompresor běží vždy v optimálních otáčkách. S tímto typem regulace lze docílit až 60% úspor. V rámci projektu MAXIEM na PTW v Darmstadtu byly tyto úspory energie s invertorovou technologií prokázány i na reálném příkladu, kdy byly na obráběcím stroji simulovány běžné provozní podmínky v průmyslu. Kromě nižší spotřeby energie se invertorové chladiče vyznačují i dalšími výhodami. Díky méně častému spínání chilleru se výrazně zvyšuje životnost kompresoru a dalších komponent chladicího okruhu. Dále jsou potlačeny rázy v chladicím okruhu, což snižuje vibrace a hluk celého chilleru.

U invertorových chladičů však nejde pouze o optimalizaci pohonu kompresoru na nejlepší možnou energetickou účinnost. Know-how, které společnost Rittal dává do těchto zařízení pro nepřímé chlazení, sahá od sestavení jednotlivých komponent až k vyladění regulace. Teprve souhra všech komponent vede k optimálnímu a energeticky účinnému řešení. Účinnost chladicího systému mohla být zvýšena až o 50 % ve srovnání s běžnými chladicími jednotkami díky optimálnímu návrhu všech komponent chladicího okruhu. Týká se to především vzduchem chlazeného kondenzátoru s úsporným EC ventilátorem, deskového výparníku či elektronicky řízeného vstřikovacího ventilu. Ovšem klíčovou roli hraje frekvenčně řízený kompresor s energeticky účinným DC motorem. Velká výhoda spočívá v tom, že se chladič vždy přizpůsobí požadovanému chladicímu výkonu. Disponuje chladicími výkony od 2 kW do 8 kW při neměnné vysoké energetické účinnosti. Invertorová technologie přináší výhody i pro klimatizaci skříňového rozvaděče. Například je možné chladicí systém regulovat na konstantní vyfukovací teplotu studeného vzduchu ve skříňovém rozvaděči. Tím se zamezí neustálým změnám teploty ve skříňovém rozvaděči zapínáním a vypínáním klimatizačního zařízení, což pro konstrukční součásti výkonové elektroniky znamená delší životnost. Tímto systémem lze zamezit i tvorbě kondenzátu.

S invertorovými chladiči vyvinula společnost Rittal energeticky účinné řešení nepřímého chlazení, jež například nabízí zmíněné výhody u obráběcích strojů. Vysokou energetickou účinnost na základě provedených měření potvrdil i Tomáš Holkup z Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii ČVUT Praha. Předmětem výzkumu bylo chlazení vřetena a momentových motorů na obráběcím stroji MAS Kovosvit při teplotě okolního prostředí od 22 °C do 25 °C. Objemový průtok vodního okruhu činil 25 l.min^-1 a teplota vody na vstupu byla 20 °C. Invertorový chladič dokonce při různých požadavcích na chladicí výkon stroje dosáhl vysoké přesnosti teploty ±0,2 K a extrémně vysoký COP (Coefficient of Performance) – vždy 3,3 při chladicím výkonu 4 000 W a 5 000 W. COP udává poměr mezi skutečným chladicím výkonem ve W a skutečným elektrickým příkonem ve W. U obvyklých systémů s regulací obtokem horkých plynů, jež dosahují srovnatelné přesnosti teploty, činí hodnota COP 1,1. Díky inovaci společnosti Rittal bylo dosaženo chladicího faktoru 3, což odpovídá úspoře spotřeby elektrické energie kolem 66 procent.

Tato technologie nalezne uplatnění i v ostatních výkonových řadách společnosti Rittal, napříkad 8 kWaž 20 kW i více. Protože při vyšších výkonech je potenciál úspor ve srovnání s potřebnými investicemi ještě atraktivnější, je doba amortizace v těchto případech ještě kratší. Z uvedených důvodů společnost Rittal vyvíjí další chladicicí jednotky s touto technologií.

Blíže se s popsanou technologií můžete seznámit na veletrhu Hannover Messe ve dnech 8. až 12. dubna 2013 na stánku společnosti Rittal v hale 11, stánek E06.

Martin Chromec

Rittal
chromec.m@rittal.cz
www.rittal.cz