Um Fluide automatisiert zu schalten, sind Ventile mit elektromagnetischen Aktoren meist das Mittel der Wahl. Damit die Spulen der Magnete hohe Anzugskräfte entwickeln und trotzdem wenig Energie benötigen, werden sie zumeist über eine Elektronik angesteuert. Bürkert Fluid Control Systems bietet in seinem Magnetventilprogramm energiesparende Lösungen mit Doppelspule und Kick-and-drop-Elektronik an.
Mit Kick-and-drop-Elektronik
Dabei wird die Spule zunächst durch einen hohen Spannungsimpuls übererregt, um die zum Öffnen des Ventils benötigte hohe Anzugskraft zu erzeugen. Nach wenigen Millisekunden schaltet die in der umpressten Spule integrierte Elektronik auf einen energiesparenden Haltebetrieb. Damit wird die Leistungsaufnahme drastisch reduziert. Die Technik eignet sich besonders für dauergeöffnete Ventile, beispielsweise für Gas- oder Leitungswassersicherungsventile sowie für batteriegepufferte Entleerungssysteme. Die Ventile verbrauchen bis zu 80 % weniger Energie als konventionelle Lösungen. Durch die geringe Leistungsaufnahme ist zudem die maximale Eigenerwärmung des Ventils geringer, was Ablagerungen und Verkalkung reduziert, die Lebensdauer deutlich erhöht und Verbrennungen vermeidet. Außerdem überzeugen die Ventile durch ihren geräuschlosen Betrieb und erfüllen hohe Ansprüche an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).
Leichte Rohrumformgehäuse
Auch Ventilgehäuse können zum Energiesparen beitragen. Die vor allem in sterilen Prozessen und hygienischen Anwendungen meist üblichen Membranventile mit herkömmlichem Schmiede- oder Gussgehäuse verbrauchen nicht nur bei der Herstellung relativ viel Energie, sondern auch im Betrieb: Bei SIP-Prozessen werden große Mengen teuren Reinstdampfes benötigt, um die massereichen Ventilkörper auf Sterilisationstemperatur zu bringen. Gleichzeitig verkürzt sich die Zeit, in der produziert werden kann, da sich die Gehäuse nur langsam erhitzen und abkühlen.
Deutlich leichtere Rohrumformgehäuse (Tube Valve Body) sind hier eine praxisgerechte Alternative. Bei einem Zweizollventil beispielsweise kann die Gewichtsreduktion bis zu 75 % betragen. Die Gehäuse heizen sich dadurch schneller auf und kühlen auch schneller wieder ab, was sich positiv auf die Betriebskosten auswirkt. Bei einer Temperaturdifferenz von 100 K können sich pro SIP-Zyklus Energieeinsparungen von über 50 % ergeben. Multipliziert man diesen Wert mit der Anzahl der CIP-/SIP-Prozesse pro Jahr, resultieren daraus je nach Anlage beachtliche Kosteneinsparungen. Die Produktion wird nachhaltiger; der CO2-Fußabdruck des Herstellungsprozesses reduziert sich. Gleichzeitig steigt die Produktivität der Anlage, da sich durch den schnellen Aufheiz- und Abkühlprozess die Nebenzeiten für die Reinigung verkürzen. Außerdem haben die temperaturempfindlichen Membranen weniger thermischen Stress. Je nach Anwendung kann ihre Lebensdauer dadurch mehr als verdoppelt werden, was die notwendigen Servicezyklen deutlich verlängert und zudem den kohlenwasserstoffintensiven Elastomer-Müll reduziert.
Regelventile für sparsame Prozesse
In einigen Bereichen der Fluidtechnik ist Druckluft unverzichtbar. Dennoch gilt es, den Verbrauch zu reduzieren und unnötige Verluste zu eliminieren. Bei Bürkert-Regelventilen in Medienleitungen kann beispielsweise der Energieverbrauch sehr einfach durch einen Wechsel des Ventilsitzes beeinflusst werden. Neben einem Wechsel der Sitzgarnituren zur Optimierung der Regelung ist auch die Wartung einer Armatur im Verschleißfall dadurch sehr materialschonend. Durch das sogenannte Air-Recycling, bei der die Federkammer durch die ohnehin zu verbrauchende Steuerluft vor feuchter und schmutziger Umgebung geschützt wird, sind die Antriebe langlebig und können z. B. nach einem Tausch der Sitzgarnitur lange weiter genutzt werden.
Zur Optimierung der Energieeinsparung – beispielsweise bei Heizanlagen – lassen sich die Ventile mit einer Dichtschließfunktion ausstatten, dann ist kein zusätzliches Absperrventil nötig. Für die dezentrale Automation sorgen direkt am Ventil angebrachte Ansteuerungen der Element-Baureihe. Sie sind modular aufgebaut und können für den exakten Funktionsbedarf des Anwenders zusammengestellt werden. Die Steuerköpfe der Baureihen 8690, 8691 und 8695 stellen eine Ventilrückmeldung, Pilotventile oder beides in Kombination zur Verfügung. Die Stellungsregler 8692, 8694 und 8696 übernehmen Regelaufgaben. Der Prozessregler 8693 für Hubbewegungen kann hingegen ohne eine übergeordnete Steuerung Temperatur-, Durchfluss- und Druckregelungen übernehmen, z. B. für eine Würzekühlung in Brauereien oder die Kühlwassersteuerung einer Kälteanlage.
Wo noch ältere Stellungsregler mit permanentem Druckluftverbrauch eingesetzt sind, bieten sich die Stellungs- und Prozessregler Sidecontrol 8792/8793 als Alternative an. Sie können dank standardisierter Schnittstellen auch Ventile und Klappenstellungen anderer Hersteller regeln und eröffnen so Möglichkeiten für eine wirtschaftliche Anlagenmodernisierung.
Sparen mit Multiportventilmodulen
In pharmazeutischen und biotechnologischen Produktionsanlagen sind sogenannte Ringsysteme für ca. vier bis zehn Medien immer noch Stand der Technik. Klassisch werden solche Lösungen mit Y- und T-Membranventilen realisiert. Da das Innenvolumen der Rohrleitungen technologiebedingt sehr groß ist, beanspruchen solche Systeme viel Platz. Außerdem ist abhängig von der Einbaulage der Ventile eine hundertprozentige Restentleerung nicht immer möglich. Der Reinigungsaufwand richtet sich dann nach der Ventilposition im Ring und kann sehr material-, energie- und zeitintensiv sein. Dabei dauern bei der großen Bauweise die Sterilisationsprozesse recht lange, weil sich das System nur langsam aufheizt. Das kostet Energie und für die Membranen bedeutet dieser langwierige Prozess thermischen Stress.
Durch die Nutzung von Robolux-Multiportventilmodulen ist es mittlerweile möglich, auch komplexere Knotenpunkte mit einer großen Anzahl von Teilnehmern und Funktionen zu realisieren, die dennoch vergleichsweise wenig Platz benötigen und bessere fluidische Eigenschaften haben.
Basierend auf der Membranventiltechnologie verbinden die patentierten Ventile unabhängige Umschaltfunktionen für zwei Prozesse in einem Gehäuse mit nur einer Membran und nur einem Doppelantrieb. Ein solches Multiportventil benötigt ca. 40 % weniger Platz. Das geringe Innenvolumen und die Reduzierung von Totraum beschleunigen zudem die Reinigung, verringern den Energieeinsatz und erhöhen so die Prozesseffizienz. Von kürzeren Sterilisationszeiten profitiert zudem wieder die Lebensdauer der Membranen und der Wartungsbedarf sinkt.
Auch in anderen Bereichen wie bei der Medientrennung im Rahmen von Chromatografieverfahren profitieren Anwender von diesen Vorteilen der Mehrwegemembranventile.
Berührungslose Durchflussmessung
In vielen Produktionsprozessen sind Durchflussmessungen teilweise auch unter Hygieneanforderungen unabdingbar. Wer hier auf die richtige Technologie setzt, kann Einsparpotenziale nutzen, z. B. beim Reinigungsaufwand. Hier kann die Flowave-Technologie punkten, die akustische Oberflächenwellen (Surface Acoustic Waves, SAW) zur Inline-Durchflussmessung von Flüssigkeiten nutzt. Das Prinzip kommt dabei vollständig ohne messstoffberührende Sensorelemente im Messrohr aus.
Neben der Messung von Durchfluss und Temperatur kann derselbe Sensor zudem weitere Messwerte wie Massendurchfluss und Dichte ermitteln sowie über den Dichtefaktor Gasblasen und Partikel erkennen. So lässt sich der Reinigungsprozess optimieren, da der Sensor zwischen Spülmedium und Produkt unterscheiden kann, was Ausschuss und Abwasserbelastung deutlich reduziert. In den geraden Messrohren kann sich zudem nichts festsetzen. Beim Reinigen wird der Sensor genauso einfach durchspült wie die Rohrleitung.
Systeme für die Gasdruckregelung
Da kaum ein Prozess dem anderen gleicht, gilt es meist individuell auf die Applikation angepasste Lösungen zu finden, um Energie zu sparen und die Effizienz zu steigern. Hier ist kompetente Beratung gefragt. Die Fluidikexperten von Bürkert haben sich darauf spezialisiert, Anwender sowohl bei Standardlösungen als auch bei individuellen Entwicklungen zu unterstützen. Systeme zur Gasdruckregelung liefern dafür ein Beispiel. Denn gleichgültig, ob Wasser mit Kohlensäure, Bier oder Impfstoffe hergestellt werden, die Gasatmosphäre in Tanks erfordert eine genaue Überwachung.
Die Systeme zur Druckregelung reagieren auf Änderungen von Temperatur und Füllmenge sowie auf chemische Reaktionen im Tank. Bei der Reinigung und Sterilisation müssen sie mit CIP-Medien und hohen Temperaturen zurechtkommen. Die Druckregelsysteme erfüllen hygienische Anforderungen und regeln den Gasdruck präzise und prozesssicher. Und zwar nicht nur bei Schutzgas-, sondern bei allen Druck- und Abfüllanwendungen.
Durch die präzise Regelung lässt sich beispielsweise der Verbrauch von Inertgas deutlich minimieren. Da die Systeme – abgesehen von der Sollwertvorgabe – völlig autark arbeiten, können bisherige manuelle und unpräzise Systeme vergleichsweise einfach automatisiert werden. Im nächsten Schritt kann dann die Einbindung in ein Monitoringsystem weitere Prozessoptimierungen erschließen. Durch das robuste Design sind lange Standzeiten garantiert und hohe Wartungskosten durch Korrosion gehören der Vergangenheit an, Anlagenverfügbarkeit und Produktivität dagegen steigen und die Betriebskosten sinken, weil keine Medien verschwendet werden.
Bürkert Fluid Control Systems, Ingelfingen
Autoren:
Ellen-Christine Reiff
Fachjournalistin
Alexander Homburg
Fachjournalist
Rechenbeispiel: Energiesparventile lohnen sich
Ein energiesparendes Magnetventil mit Kick-and-drop-Elektronik kostet laut europäischem Listenpreis ca. 60 Euro (netto) mehr als ein konventionelles Ventil. Diese Mehrkosten amortisieren sich jedoch je nach Einsatzbereich bereits innerhalb von zwei bis viereinhalb Jahren. Werden zum Beispiel in Industrie, Gebäudetechnik oder einer Wasseranwendung 80 herkömmliche Ventile (10 W) durch 80 Magnetventile (Typ 6013) mit Kick-and-drop-Spule AC10 (0,6 W) ersetzt, ergibt sich eine Energieeinsparung von 93,75 %. Bei einer jährlichen Laufzeit von 240 Tagen, zehn Stunden täglichem Betrieb und 100 % Einschaltdauer werden pro Jahr dann 1,8 MWh eingespart. Bei einem Bruttostrompreis von 30 Cent/kWh amortisiert sich der Mehrpreis für die energiesparenden Magnetventile nach etwa drei Jahren. Gleichzeitig profitiert die Umwelt: Über die Lebensdauer der Spule von 10 Jahren sinkt der CO2-Ausstoß um 8,73 t (bei 485 g/kWh), was in etwa dem entspricht, was 700 Bäume im Jahr aufnehmen können (bei 12,5 kg CO2 pro Baum).
