Pumpen: 85 % der Betriebskosten entfallen auf den Energieverbrauch
In der Industrie kommen überall Pumpen zum Einsatz. Es wird geschätzt, dass 10 % des weltweiten Energieverbrauchs auf Pumpen verschiedener Arten entfallen. Das mach sie zu einem idealen Ansatzpunkt, um sich auf die zentrale Herausforderung der Energieeinsparung zu konzentrieren.
Kreiselpumpen (mit einem Rotor oder Laufrad) sind sehr verbreitet und relativ preiswert, weshalb sie in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie häufig eingesetzt werden, insbesondere für niedrigviskose Ströme: Milchannahme, Pasteurisierung, aseptische/UHT-Behandlung, Saft, CIP und Filtration. Es mag Sie jedoch überraschen, dass 85 % der Total Cost of Ownership (TCO) für eine preiswerte Kreiselpumpe auf den Energieverbrauch entfallen! Wir können Ihnen zeigen, wie Sie dies zu Ihrem Vorteil nutzen können.
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Verbesserung der Leistung, der Lebensdauer von Anlagen und der Nachhaltigkeit
Erhebliche Energieeinsparungen durch den Einsatz eines VFD
Viele Lebensmittel- und Getränkelinien erfordern, dass Pumpen mit unterschiedlichen Durchflussraten betrieben werden, um den Verarbeitungsparametern und bestimmten Rezepten oder Zutaten gerecht zu werden. Wenn Sie ein Drosselsystem haben, beschränken Sie den Durchfluss einfach durch Schließen eines Ventils.
Dies hat jedoch zwei negative Konsequenzen. Erstens erhöht sich der Gegendruck auf die Pumpe – was auch Wärme erzeugt und möglicherweise zu einer Qualitätsminderung des Produkts oder zu Verschleiß an Pumpenkomponenten, wie z. B. Gleitringdichtungen, führt. Zweitens arbeitet sie ineffizient und kann sogar zu Pumpenschäden führen.
Die gute Nachricht ist, dass wir einen Weg zu enormen Energieeinsparungen haben, indem wir die Pumpe einfach mit einem Frequenzumrichter (VFD) kombinieren. Durch Änderung der eingehenden elektrischen Frequenz wird auch die Pumpendrehzahl geändert. Diese Lösung ermöglicht den effizienten Einsatz einer Pumpe zur Förderung einer Vielzahl von Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Viskositäten, Förderhöhen und Durchflussraten.
Vergleichen Sie diese beiden Methoden der Prozesssteuerung in der Tabelle. Unter der Annahme eines Durchflusses von 70 m3/h bei der höchsten Kapazität der Pumpe und einem Stromverbrauch von 26 kW sind die beiden Systeme identisch. Wenn Sie den Durchfluss jedoch auf 60 % der Kapazität reduzieren möchten, würde das Drosselsystem immer noch 21 kW Energie verbrauchen, das VFD-System jedoch nur 9 kW! Der VFD ist eine kleine Investition, die viel Geld spart.
| Durchfluss (m3/h) | % Durchfluss | Gedrosselte Systeme | VFD-Systeme |
|---|---|---|---|
| 70 | 100 % | 26 kW | 26 kW |
| 56 | 80 % | 23 kW | 16 kW |
| 42 | 60 % | 21 kW | 9 kW |
| 35 | 50 % | 20 kW | 6 kW |
Ein VFD hält Ihre Pumpe „in der Zone“ – und verbessert Leistung, Lebensdauer der Anlagen und Nachhaltigkeit
Von Anfang an die richtige Pumpe auszuwählen bedeutet, ein Modell zu wählen, dessen Leistungsbereich zu Ihren Anwendungen passt – und das ist schon ein guter Anfang. Die Leistung der meisten Pumpen variiert jedoch je nach den Anforderungen einer bestimmten Anwendung, Produktänderungen, der Qualität der Rohstoffe oder speziellen Zutaten. Jede Pumpe hat ein Leistungsprofil, das wie in der Abbildung unten anhand einer Zuverlässigkeitskurve aufgetragen werden kann.
Die Pumpe arbeitet innerhalb dieses Bereichs der Zuverlässigkeitskurve, aber je weiter Sie sich vom BEP entfernen, desto unzuverlässiger arbeitet sie und Ausfälle treten häufiger auf (siehe MTBF auf der rechten Achse). Dies veranschaulicht einen weiteren Unterschied. Wenn Sie den Durchfluss durch Drosseln reduzieren, verlieren Sie nicht nur Energie, indem Sie nicht den besten Wirkungsgrad erreichen. Die Pumpe könnte Vibrationen und einem höheren Gegendruck ausgesetzt sein. Das kann zu Verschleiß an Laufrädern, Lagern und Dichtungen führen. Jegliche eingesparte Energie wird in Wärme umgewandelt, was zu einer potenziellen Qualitätsminderung des Lebensmittelprodukts führt.
Ein VFD-System reduziert einfach die Frequenz der Pumpe – und damit ihre Drehzahl – ohne das Risiko einer potenziellen Dispergier- und Temperatureinwirkung auf empfindliche Produkte. Dies führt zu geringeren wartungsbezogenen Kosten durch eine höhere Zuverlässigkeit und Lebensdauer sowie zu einer besseren Nachhaltigkeit durch weniger Produktverluste und geringere Emissionen. Darüber hinaus zeigt das Diagramm, dass der Einsatz eines VFD zur Durchflussregelung die Pumpe in dem Bereich hält, in dem der Wirkungsgrad am höchsten ist. Dies spart insgesamt Energiekosten.
Kurve zur Zuverlässigkeit der Pumpe, BEP = BOP
In diesem Diagramm hat eine Pumpe einen Punkt des besten Wirkungsgrades (Best Efficiency Point, BEP). Es hat sich bewährt, sie innerhalb von -10 % und +5 % dieses Punktes zu betreiben. Empfindlichkeit der Pumpenkurve für die Zuverlässigkeit der Pumpe.
Die Mathematik dahinter ist einfacher, als Sie denken
Da die meisten Kreiselpumpen von einem Elektromotor angetrieben werden, entspricht die Pumpendrehzahl meist der Motordrehzahl. Die Geschwindigkeit und der Durchmesser des Laufrads bestimmen dabei die Förderhöhe oder den Pumpendruck. Eine Änderung der Drehzahl verändert jedoch die Förderhöhe, den Durchfluss und den Leistungsbedarf der Pumpe gemäß den folgenden Affinitätsgesetzen:
- Der Durchfluss (Volumen/Stunde) variiert proportional zur Änderung der Drehzahl. Die doppelte Drehzahl bedeutet den doppelten Durchfluss. Ein Drittel der Drehzahl ergibt ein Drittel des Durchflusses.
- Die Förderhöhe (Druck) der Pumpe variiert mit dem Quadrat der Drehzahländerung. Die doppelte Drehzahl erzeugt die vierfache (22) Förderhöhe. Achtzig Prozent der Drehzahl erzeugen 64 Prozent (0,802) der Förderhöhe bei voller Drehzahl.
- Der Leistungsbedarf (kW) variiert mit der dritten Potenz (Kubus) der Drehzahländerung. Die doppelte Drehzahl verbraucht die achtfache (23) Leistung. Bei halber Drehzahl wird nur ein Achtel (0,503) der Leistung für den Antrieb der Pumpe benötigt.
„Die Rechnung ist einfach: Wenn Sie Ihre Pumpe nicht ständig auf 100 % laufen lassen, können Sie wirklich von einem VFD profitieren. Die Energiemenge, die Sie durch diese Art der Durchflussregelung einsparen können, ist beachtlich. Wenn Sie stattdessen Ihre Pumpen drosseln, entfernen Sie sich sofort von diesem Punkt des besten Wirkungsgrades. Dann treten zusätzliche Vibrationen und Gegendruck auf. Die Lebensdauer der Gleitringdichtung kann sich verringern, was zu kostspieligen Ausfällen und einer erhöhten Ausfallzeit führt.“
– Angelo Mennecillo, Product Manager für Anlagenkomponenten bei Tetra Pak®
