Vakuum nach Bedarf
Wird für eine Ersatzbeschaffung Geld in die Hand genommen, sollte der technische Fortschritt in die Investitionsentscheidung einbezogen werden. Bei Vakuumerzeugern werden heute auch für kleine Pumpen bezahlbare Frequenzsteuerungen angeboten. Synchron zur Frequenz sinkt dann auch der Stromverbrauch.
von Dr. Steffen Pache, Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
Der durchschnittliche Stromverbrauch in Milchviehställen ohne stationäre Fütterungsanlagen liegt bei 473 kWh je Kuh und Jahr. Dabei wird ca. ein Viertel zur Vakuumerzeugung benötigt. Die dazu erforderlichen Aggregate sind in der Regel ölgeschmierte Lamellenpumpen oder umweltfreundlichere Wasserring-Pumpen und neuerdings auch Drehkolbengebläse. Für einen funktionssicheren Betrieb des Melkstandes kann man überschlägig mit einer Pumpenleistung von 80 bis 100 l/min je Melkeinheit bei minus 50 kPa, zuzüglich 300 l/min Reserve je Melkstand kalkulieren.
Ein Drehkolbengebläse BB 53 Plus FU (unten links) mit Zubehör wurde an Stelle einer verschlissenen Wasserringpumpe im Stall des Sächsischen Lehr- und Versuchsgutes in Köllitsch installiert. Es kann entsprechend dem Vakuumbedarf drehzahlgesteuert betrieben werden. Rechts der Abscheiderbehälter zum Schutz des Drehkolbengebläses.
Von 0 bis 100 Prozent
Herzstück der Unterdruck- und Volumenstromregelung ist der auf die Motordrehzahl wirkende Frequenzumrichter mit Drucksensor. Moderne Frequenzumrichter sind komplexe, elektronische Bauteile, die Spannung und Frequenz des durchfließenden Stroms transformieren. Technisch können die elektromechanisch-elektronischen Frequenzumrichter die Netzfrequenz von 50 Hz in jede beliebige Frequenz von 0 bis über 1.000 Hz mit einer frei wählbaren Amplitude erzeugen. Für die hier betrachteten Pumpenantriebe sind jedoch nur Frequenzen zwischen 0 und 50 Hz von Interesse. Für eine Anwendung im Bereich der Antriebstechnik bedeutet dies, immer das optimale Drehmoment und zu jeder Zeit den günstigsten Wirkungsgrad zu haben. Diese Optimierung des Drehmoments über die Frequenz hat zur Folge, dass bei gleich bleibender Spannung der Stromverbrauch proportional zur Frequenz bei abfallendem Drehmoment sinkt. Durch ein Anfahren des Umrichters ab einer Frequenz von 0 Hz ist auch ein Betrieb mit Sanftanlauf möglich, was bisher durch eine Stern-Dreieck-Schaltung realisiert wurde. Über geeignete Sensortechnik und Computeransteuerung lassen sich beliebige Fahrszenarien programmieren. Bei Pumpenantrieben, Kompressoren und Fördereinrichtungen lassen sich mit Hilfe von Frequenzumrichtern Strom-einsparungen von bis zu 50 % erzielen.
Arbeitsschritte beim Luftdurchsatz von Wälz-kolben-Vakuumpumpen. Hier: Ansaugen
Die bisher überwiegend zur Vakuumerzeugung verwendeten Lamellen- bzw. Wasserringpumpen eignen sich allerdings nicht für den Betrieb mit Frequenzumrichtern. Sie müssen mit einer gewissen hohen Drehzahl laufen, damit sie das konstruktionsbedingt abdichtende Material - Lamellen oder Wasser - mit Fliehkraft an die runde Innenwand der Pumpe drücken.
Hochpräzise Pumpe
Neben Lamellen- bzw. Wasserringpumpen werden für die Vakuumerzeugung seit einiger Zeit auch Wälzkolben-Vakuumpumpen angeboten. Der hohe Überdruck auf der Abgasseite dieser Pumpen hat zu dem in der Industrie verwendeten Begriff Drehkolbengebläse geführt. Die Förderleistung der Drehkolbengebläse wird durch zwei gegenläufige, zwei- oder dreiflügelige Wellen erzielt, die in einem hochpräzisen Gehäuse mit geringsten Spaltmaßen den Luftstrom verdichten und fördern (vier Abbildungen).
Fördern zur Druckseite
Je genauer Kolben und Gehäuse gefertigt sind, desto wirksamer ist diese Abdichtung und desto höher der Wirkungsgrad.
Die Präzision des Spaltmaßes hat auch entscheidenden Einfluss auf die Erwärmung der ausgeblasenen Luft.
Mit der Drehung der Rotor-Spitzen in einem exzentrischen Gehäuse wird die Saugwirkung erzielt, was zu einem Pulsieren des Förderstromes führt. Dabei erzeugen dreiflügelige Rotoren im Vergleich zu zweiflügeligen Gebläsen deutlich geringere Pulsationen. Auf der Ansaugseite (Melkstand) wird maximal ein Unterdruck von -50 kPa erreicht. Die hohe Verdichtung und Strömungsgeschwindigkeit bei der Volllastdrehzahl erwärmt die Luft im Gehäuseblock bis auf 150 °C. Diese Warmluft kann für die Heizung von Funktionsräumen genutzt werden. Zur Reduzierung der Schallentwicklung der pulsierenden Abgasluft kommt ein Druckschalldämpfer zum Einsatz.
Da das Arbeitsprinzip nicht wie bei Lamellen- bzw. Wasserringpumpen auf der Fliehkraft beruht, können diese Pumpen mit jeder Drehzahl unterhalb ihrer konstruktionsbedingten Auslegung arbeiten und passen so zur Steuerung mit Frequenzumrichtern.
Aggregattausch
Bedingt durch die geringen Spaltmaße stellen Drehkolbengebläse höchste Reinheitsansprüche an die Ansaugluft aus dem Melkstand. Dies erfordert einen hinreichend großen (>230 l) Abscheidebehälter mit einem Fluid- und Partikelfilter mit Rückschlagsklappe und Filterwarnschaltung. Dieser technische Aufwand ist zwingend erforderlich, denn sollten wirklich mal Milch- oder Strohpartikel den Zyklon-Abscheider passieren können, würden diese die Rotoren zerstören.
Druckausgleich
Nach einer Laufzeit von einem Jahr wurde am Display ein Stromverbrauch von insgesamt 6.979 kWh bei 2.558 Betriebsstunden abgelesen. In diesem Beobachtungsjahr sind an der Pumpe keine verschleißbedingte Störungen aufgetreten. Während der Einlaufphase wurde ein Garantieölwechsel durchgeführt. Der nächste Ölwechsel steht bei ca. 3.000 Betriebsstunden bzw. einmal jährlich an.
Einmal musste der Servicemechaniker den Keilriemenantrieb justieren, welches später auch im Rahmen der normalen Wartung durch das Stallpersonal übernommen wurde. Hier gilt es auch das Aggregat regelmäßig zu Reinigen, um die Überhitzungen zu vermeiden.
Zum Schutz des Prozessrechners am Frequenzumrichter vor Schaltspitzen empfiehlt es sich, einen zusätzlichen Schaltschütz einzubauen, der sehr sensibel auf einen Spannungsabfall reagiert und dann erst wieder bei stabilem Netz manuell zugeschalten wird.
Ausschieben
Bei gleichem Anschlusswert von 5,5 kW verbrauchte das Drehkolbengebläse mit dem Frequenzumrichter im Beobachtungsjahr bis zum 23. 1. 2008 im Mittel nur 18,9 kWh je Tag. Die Spannweite des täglichen Stromverbrauches lag zwischen 9,2 und 27 kWh je Tag und zeigt noch weitere Einsparungsmöglichkeiten bei der Optimierung der Aggregatlaufzeit auf.
Unter den betrieblichen Bedingungen der relativ kurzen Melkzeiten und dem zusätzlichen Vakuumbedarf für Sonderarbeiten konnte über den Beobachtungszeitraum eine Einsparung von 53,8 % erzielt werden. Das entsprach einer Strom-einsparung von über 8.000 kWh bzw. mehr als 1.200 € je Jahr (Strompreis 15 Ct je kWh). Diese Einsparung rechtfertigt den erhöhten Investitionsaufwand für den Frequenzumrichter schon in den ersten beiden Betriebsjahren.
Fazit
Der nach Bedarf gesteuerte Antrieb der Vakuumpumpe erbrachte über 50 % Stromersparnis gegenüber der ständig auf Volllast laufenden alten Pumpe. Damit kann der Mehrpreis für die neue Technik in rund zwei Jahren eingespielt werden. Insgesamt wird auch durch das Melkpersonal nach vierjähriger Laufzeit eingeschätzt, dass die neue Anlage störungsfrei und wartungsarm läuft. Ebenso bekam sie gute Noten bei der Anlagenüberprüfung durch den LKV. Somit kann die erhöhte Ersatzinvestition in ein Drehkolbengebläse mit Frequenzumrichter empfohlen werden.
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