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Rührwerke drehen sich effizienter

IE4-Permanentmagnetmotor in der pharmazeutischen Produktion
Rührwerke drehen sich effizienter

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Ein Pharmaunternehmen tauschte im Rahmen seiner Effizienzsteigerungsmaßnahmen einen Teil der alten Antriebe gegen die aktuelle IE4-Elektromotorentechnologie von Bauer Gear Motor aus. Insbesondere die Rührwerksantriebe standen dabei im Fokus. Der Gesamtwirkungsgrad der Antriebe ließ sich durch diese Maßnahme um 35 % steigern.

Autor Markus Kutny Produkt Manager – Energy Efficiency Solutions, Bauer Gear Motor

Fresenius Kabi Austria ist eine Tochtergesellschaft des internationalen Gesundheitskonzerns Fresenius Kabi und produziert am Standort Linz pharmazeutisch aktive Wirkstoffe wie Lactulose, Hydroxyethylstärke (HES) und Sinistrin. Daneben beherbergt der Standort eine pharmazeutische Produktion für entsprechende Fertigprodukte. Die Produktion des pharmazeutisch aktiven Wirkstoffs Lactulose läuft sieben Tage in der Woche rund um die Uhr. Das auftragsbezogene Just-in-Time-Produktionssystem garantiert, dass nur Wirkstoffe mit maximaler Haltbarkeit an die Kunden geliefert werden. Ein wesentlicher Teil des Produktionsprozesses ist die Vorhaltung des Produkts in großen Bottichen, wo es kontinuierlich gerührt wird. Die entsprechenden Rührwerke werden von Elektromotoren angetrieben.
Neben anderen Abläufen wurde insbesondere dieser Prozess im Hinblick auf seine Energieeffizienz und Prozesseffizienz kritisch geprüft. Fresenius Kabi bat Bauer um Unterstützung bei der Suche nach einem effizienteren Antriebssystem. Gleichzeitig wollte man die nötige Flexibilität realisieren, damit die Lösung auch bei veränderten Prozessparametern noch das gewünschte Resultat erzielt.
Bewertung des Rührwerksantriebs
In einem ersten Schritt wurde der vorhandene Antrieb bewertet. Dieser bestand aus einem zweipoligen, direkt angeschlossenen IE2-Asynchron-Getriebemotor mit einer Nennleistungsaufnahme von 18,5 kW und einem Nennwirkungsgrad von 91,2 %. Er trieb die Schaufeln des Rührwerks an, die sich mit rund 105 min-1 und einer Last von ca. 1632 Nm drehten. Erste Messungen ergaben, dass der so ausgelegte Antrieb mit 10,5 kW lief und somit aufgrund der Teillastbedingungen an Wirkungsgrad einbüßte. Zu diesem Zeitpunkt teilten die Produktionsingenieure außerdem mit, dass man die Geometrie des Rührwerks ändern und zugleich die Drehzahl von 105 auf nur 53 min-1 reduzieren wolle.
Die neue Rührwerkbauform wurde bei der reduzierten Drehzahl erprobt, um zu gewährleisten, dass das Produkt im Bottich einwand- frei durchmischt wird. Nachdem die Bestätigung hierüber vorlag, konnte Bauer den Auswahlprozess für die neuen Getriebemotoren mit den neuen Parametern fortsetzen. Ursprünglich interessierte man sich bei Fresenius Kabi für einen IE4-Asynchronmotor der Baugröße 132 mit einem Nennwirkungsgrad von 92,6 %, entschied sich aber nach Beratung für einen IE4-Permanentmagnetsynchronmotor (PMSM) der Baugröße 112, um einen noch höheren Effizienzzuwachs zu erzielen. Die Beratung begann mit einem Vergleich der Betriebskosten der ursprünglichen Komponenten mit denjenigen der neuesten Motorentechnologie. Diese wurden ergänzt durch Berechnungen der Gesamtbetriebskosten mit einer Veranschaulichung des unterschiedlichen Energieverbrauchs der ASM- und PMSM-Bauart sowie ausführlichen technischen Berechnungen zur Lagerlebensdauer. Bauer bot im Rahmen des Projekts die Getriebemotormodelle BF60 und BK60 an, 7,5-kW-PMSM der Effizienzklasse IE4 mit Stirnrad- bzw. Kegelradgetriebe. Der entscheidende Vorteil im Vergleich zu einem IE4-ASM zeigte sich im Betrieb bei niedrigen Drehzahlen oder unter Teillast. Sowohl der ASM als auch der PMSM hatten die Effizienzklasse IE4. Die Nennwirkungsgrade lagen bei 92,6 % bzw. 92,1 %. Der Wirkungsgrad des ASM wurde für den Anlauf mit Direkteinschaltung angegeben. Nach Korrektur für den Umrichterbetrieb lag der Wert nur noch bei 90,2 %. Es gab zudem einen erheblichen Unterschied in der Masse der Motoren. Während der ASM 84 kg auf die Waage brachte, wog der PMSM nur 31 kg. In bestimmten Anwendungen kann dies ausschlaggebend sein. Das Diagramm zeigt die rechnerische Differenz bei 50 Hz in Abhängigkeit von der Last. Bei gleichen Lastbedingungen sind bei Teillast die Wirkungsgradeinbußen beim ASM deutlich größer als beim PMSM, was sich bei Lasten unter 50 % extrem bemerkbar macht. Als weiterer Faktor muss berücksichtigt werden, dass der Wirkungsgrad bei variabler Drehzahl ebenfalls nachlässt.
Vergleich von IE3-Technologien
In der Beratungsphase konnte Bauer Referenzdaten aus einem physischen Vergleichstest zwischen einem IE3-ASM und einem IE3-PMSM beisteuern. Hierbei lag der Nennwirkungsgrad des ASM bei 89,6 %, derjenige des PMSM bei 90,8 %. Wie im Fall der oben beschriebenen IE4-Motoren unterschieden sich die beiden Motoren ganz erheblich in der Masse. Der ASM wog 56 kg (Baugröße 132), der PMSM lediglich 31 kg (Baugröße 112). Wirkungsgraddiagramme veranschaulichen die Vorteile des PMSM in Anwendungen, die dem Motor geringere Drehzahlen oder Teillastbetrieb abverlangen. Bei niedrigeren Drehzahlen war der Wirkungsgrad des ASM deutlich geringer als derjenige des PMSM, der gleichzeitig Effizienzvorteile unter Teillast bietet. Diese Daten sind auf die IE4-Modelle übertragbar. Es geht hierbei um maßgebliche Faktoren, die dem Kunden die Effizienz der Motoren in der praktischen Anwendung vor Augen führen.
Eingebaute Zuverlässigkeit
Die Modelle der Getriebemotorenserie BF und BK sind in der Leistungsklasse bis 45 kW erhältlich und geben bei Drehzahlen zwischen 0,2 bis 280 min-1 Drehmomente von 80 Nm bis 18 500 Nm ab. Das Motorgehäuse ist rundum geschlossen und serienmäßig nach Schutzart IP 65 gegen Staub und Strahlwasser geschützt. Hierdurch ist gewährleistet, dass alle Getriebemotoren tauglich für den Einsatz im Freien oder in feuchten und staubigen Umgebungen sind. Ausführungen mit Schutzart IP 66 oder IP 68 sind ebenfalls erhältlich. Auch für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen gibt es jeweils eine PMSM-Lösung in der Effizienzklasse IE3 und IE4.
Großzügig bemessene Kugel- oder Rollenlager, geschmiedete, gehärtete und geschliffene Zahnräder sowie intern und extern verstärkte Getriebe sorgen für eingebaute Zuverlässigkeit und eine lange, wartungsarme Nutzungsdauer. Durch eine gehärtete Wellenhülse und einen Spritzring an der Läuferdichtung werden reduzierte Ölmengen, verlässliche Schmierung und viele Jahre leckagefreier Betrieb garantiert. Während der Nennwirkungsgrad des Motors dem Typenschild zu entnehmen ist, muss auch der Wirkungsgrad der Übersetzungskomponenten unter die Lupe genommen werden, der Reibung im Schmieröl, in den Lagern und an den Dichtungen unterworfen ist. Bauer ist es gelungen, bei Aufrechterhaltung der geforderten Mischqualität, den Gesamtwirkungsgrad des Antriebs um rund 35 % zu steigern. Diese Effizienzzuwächse dürfen jedoch auf keinen Fall zu Lasten der Zuverlässigkeit gehen, die in hohem Maße von der Betriebstemperatur des Antriebsstrangs beeinflusst wird. Aus diesem Grund wurden mithilfe von Wärmebildtechnik präzise Daten zur normalen Betriebstemperatur des Motors und des Getriebes erfasst.
Aufgrund der ausführlichen und detaillierten Nachweise des Einsparpotenzials der IE4-PMS-Motoren und der Kompetenz der Ingenieure entschied man sich bei Fresenius Kabi für die Getriebemotoren von Bauer. Nachdem die ersten Komponenten die Leistungserwartungen uneingeschränkt erfüllten, wurden außerdem weitere Komponenten bestellt, um die Grundmodernisierung der Prozessanlagen zum Abschluss zu bringen.
prozesstechnik-online.de/cav0115426
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