Gesteigerte Verfügbarkeit, Einfachheit und Kostenreduzierung
Modularisierung von Vakuumpumpen bietet umfassendes Vorteilspaket
Olaf Muszinski* Bei der Bierabfüllung ist ein Einsatz von Vakuumpumpen nicht mehr wegzudenken, unterstützen Vakuumpumpen doch den Gasaustausch bei der Glasflaschenbefüllung. Damit sorgen sie für eine konkrete Reduzierung der Sauerstoffaufnahme und des CO2-Verbrauchs. Bislang üblich: Auf Basis vorgegebener Fakten wie der Abfüll-Leistung, der Produkttemperatur, des CO2-Gehaltes im Produkt, wurde stets die für das jeweilige Füllsystem individuell zugeschnittene Vakuumpumpe bereitgestellt. Was dazu führte, dass sich im KHS-Portfolio eine Vielzahl unterschiedlicher Varianten an Vakuumpumpen befanden, die sich sowohl hinsichtlich der Elektrik als auch in Hinblick auf die Größe und Ausstattung voneinander unterschieden. Durch eine Modularisierung der Vakuumpumpen steht nun ein einheitliches Vakuumpumpen-Modell zur Verfügung. An der Leistung des Füllsystems orientiert ist ausschließlich folgende Entscheidung zu treffen: Ist die Investition in ein, zwei oder drei baugleiche Vakuumpumpen zu tätigen? Neben einer gezielten Vereinfachung bietet das modulare System jede Menge weitere Vorteile. So zum Beispiel den reduzierten Stromverbrauch, die höhere Verfügbarkeit, die einfachere Wartung sowie die durch eine gezielte Erweiterung des Systems zu erreichende Teilredundanz oder Redundanz. Vakuumpumpen reduzieren CO2-Verbrauch Für Bier spielt die sauerstoffarme Abfüllung eine bedeutende Rolle. Sie steht für hohe Qualität und lange Haltbarkeit des Produkts. Damit diese so wesentliche Abfüllung bei niedrigsten Sauerstoffaufnahmen gewährleistet wird, ist vor der Befüllung von Gebinden der Gasaustausch nötig, um eine CO2-Atmosphäre zu schaffen. Nach der Evakuierung wird CO2 in das abzufüllende Gebinde eingeblasen, Sauerstoff nach und nach ausgetragen und durch CO2 ersetzt. Würde CO2 ohne Einsatz von Vakuumpumpen in die Gebinde geführt, ergäbe sich ein äußerst hoher CO2-Verbrauch. Um dies zu vermeiden, unterstützen Vakuumpumpen das CO2-Spülverfahren im Vorfeld des Abfüllprozesses. Geht es um die Befüllung von Glasflaschen,* Leiter Konstruktion Prozesstechnik, KHS GmbH, Bad Kreuznach, Tel.: 06 71/8 52 27 04 erzeugen Vakuumpumpen einen Unterdruck in den Flaschen, saugen somit gezielt Luft an, verdichten diese und geben sie in die Atmosphäre ab. Im Gegenzug wird CO2 in die Flaschen eingetragen. Vakuumpumpen sorgen somit für den zügigeren und vollständigeren Gasaustausch und stehen zudem für die Verminderung des CO2-Verbrauchs, eine damit verbundene Kostenreduzierung sowie die erhöhte Umweltfreundlichkeit. Generell sind Vakuumpumpen über den gesamten Gasaustausch-Prozess innerhalb eines Füllsystems aktiv. Bislang aus Sicherheitsgründen die größer dimensionierte individuell ausgelegte Vakuumpumpe,… Bislang üblich: die an das jeweilige Füllsystem exakt angepasste Vakuumpumpe. Auf Basis der vorgesehenen stündlichen Schüttleistung, der Produkttemperatur, des CO2-Gehalts im Produkt sowie auf Basis weiterer Randkriterien ging es darum, die minimale theoretische Pumpengröße zu berechnen. An dieser minimalen theoretischen Pumpengröße orientiert, folgte die Empfehlung in eine der theoretischen Pumpengröße nahe kommende größere Vakuum-Pumpe zu investieren. Dies, um die vorgegebene Füllerleistung sowie die möglichst geringe Sauerstoffaufnahme im Bier auch sicher zu erreichen. Was gleichzeitig bedeutete, dass die sicherheitshalber höher gewählte Leistung immer auch den erhöhten Stromverbrauch und damit einhergehend auch einen höheren Wasserdurchsatz verursachte. …nun die modular gestaltete Vakuumpumpe mit integriertem Frequenzumrichter Ein erhöhter Stromverbrauch, der durch die Modularisierung von Vakuumpumpen nun nicht mehr nötig ist. Die Modularisierung von Vakuumpumpen trägt mit in sich, dass ausschließlich baugleiche Vakuumpumpen zum Einsatz gelangen. Vorgeschaltet ist diesen ein Frequenzumrichter. Er gewährleistet zum einen die Unabhängigkeit vom elektrischen System und verhilft zum anderen dazu, dass jede Vakuumpumpe stets in ihrem optimalen Betriebspunkt läuft. Benötigt das Füllsystem beispielsweise durch die Abfüllung von kleineren Flaschenvarianten und eine damit verbundene verminderte Schüttleistung eine geringere Vakuum-Leistung, läuft die Vakuumpumpe durch den Frequenzumrichter gesteuert entsprechend langsamer oder eine der Pumpen wird ganz abgeschaltet. Soll es mehr an Schüttleistung sein, regelt der Frequenzumrichter die Pumpenleistung gezielt nach oben. Allein durch diese perfekte Anpassung der Vakuumpumpe an das Füllsystem lässt sich eine bis zu 45prozentige Verringerung des Stromverbrauchs erreichen. Ein optimales Verhältnis zwischen Vakuumleistung und Stromverbrauch ist gegeben. Auch beim Betrieb mit Minderleistung und bei anlagenbedingten Stillständen des Füllers können eine oder zwei der Pumpen abgeschaltet werden. Rahmenkonstruktion mit bis zu drei Standard-Vakuumpumpen Während für kleinere Füller-Leistungen eine einzige Standard-Vakuumpumpe genügt, können für hohe Füller-Leistungen bis zu drei Standard-Vakuumpumpen nötig werden. Positioniert sind die Pumpen innerhalb eines Rahmens, der bis zu drei Standard-Vakuumpumpen zulässt. Das erlaubt insbesondere bei kleineren Füller-Leistungen eine Teilredundanz bzw. eine Redundanz durch Einbindung von Erweiterungsmodulen. Bei besonders hohen Füller-Leistungen ist zur Sicherung von Teilredundanz bzw. Redundanz die Integration eines weiteren Rahmengestells mit bis zu drei Standard-Vakuumpumpen in das System machbar. Generell bestehen die Standard-Vakuumpumpen je nach Kundenwahl entweder aus Niro oder aus Gusseisen. Vorteil des Materials Niro: Hier ist neben einer Reinigung mit Wasser und Lauge auch die Säurereinigung möglich. Beispielsfall zu minimiertem Stromverbrauch und Teilredundanz Ein Beispiel, das sowohl den minimierten Stromverbrauch als auch den Vorteil der mit dem neuen System zu verwirklichenden Teilredundanz bzw. Redundanz verdeutlicht: Ein Füllsystem realisiert eine Abfüll-Leistung von 50.000 0,33-l- bzw. 50.000 0,5-l-Glasflaschen. Ehemals dafür geplant: Eine Vakuumpumpe, deren Anschlussleistung bei 18,5 KW liegt und die für sämtliche „Abfüll-Fälle“ gerüstet ist. Die Leistung im Betriebspunkt beträgt bei 50 Hertz 14,5 kW. Mit diesen 14,5 kW lässt sich eine Leistung der Vakuumpumpe für 26.000 Liter Abfüll-Leisung/h erreichen, was eine rechnerische Vakuumreserve von 4 Prozent ergibt. Sollte die Pumpe ausfallen, würde die Linie stehen. Dem gegenüber die Handhabung bei Einsatz von modularisierten Vakuumpumpen für den gleichen zugrunde gelegten Fall: Hier gelangen zwei Vakuummodule mit einer Anschluss-Leistung von jeweils 16 kW zur Verwendung. Steht die Befüllung der 0,33-l-Glasflasche und damit die Abfüllung von 16.500 l/h an, genügt der Einsatz einer der Vakuumpumpen, die zwischen 50 bis 60 Hertz betrieben wird. Sollte eine Pumpe ausfallen, böte die zweite Pumpe die 100prozentige Reserve. Das Füllsystem könnte weiter mit voller Leistung produzieren. Für den Fall, dass die Befüllung der 0,5-l-Glasflasche und damit eine Abfüll-Leistung von 25.000 l/h vorgesehen ist, lässt sich die zweite Pumpe hinzuschalten und derart betreiben, dass sie das notwendige Rest-Vakuum zur Verfügung stellt, dabei jedoch mit einer niedrigen Hertzzahl immer im optimalen Betriebspunkt agiert. Käme bei der geforderten Leistung von 25.000 l/h ein Pumpenausfall vor, müsste auch hier der Füller nicht in den Stillstandsmodus übergehen. Die Leistung der noch funktionierenden Pumpe ließe sich mittels Frequenzumrichter hochfahren, der Füller automatisch herunterregeln. So wäre für den Beispielfall mit einer 75prozentigen Abfüll-Leistung zu kalkulieren. Die „Standby-Vakuumpumpe“ Wird noch mehr an Sicherheit gewünscht, besteht – ausgehend von dem Beispielsfall – die Möglichkeit eine dritte Standard-Vakuumpumpe als Standby-Vakuumpumpe mit in das System zu integrieren. Neben dem Vorteil, dass sich eine Standby-Vakuumpumpe bei Bedarf generell zügig zuschalten lässt, greift hier als nochmaliger Pluspunkt, dass während vorgesehener Wartungsmaßnahmen weder die Leistungsreduktion noch der Anlagenstillstand stattzufinden hat. Schnelle Verfügbarkeit von Vakuumpumpen und Ersatzteilen Ebenfalls ein Vorteil, den das Konzept der modularisierten Vakuumpumpen in sich trägt: Ersatzteile sind hier standardisiert. Im Bedarfsfall kann eine schnelle Lieferung stattfinden. Zudem lässt sich durch die Gleichartigkeit von Ersatzteilen die Lagerhaltung bei Verwendung mehrerer Vakuumpumpen reduzieren. Und noch ein Vorteil, den das Konzept der modularisierten Vakuumpumpen beinhaltet: Sollte eine Vakuumpumpe defekt sein, ist deren zügiger Austausch machbar. Eine bislang nötige Sonderanfertigung des passenden Pumpenmodells und ein damit verbundener längerer Herstellprozess ist nicht mehr erforderlich. An Wartezeit ist – falls sich keine Ersatz-Standard-Vakuumpumpe im Betrieb befindet – einzig und allein mit der Transportzeit vom KHS-Zentrallager aus zu kalkulieren. Modularisierung auch bei der Vakuumpumpe Eco… Das KHS-Konzept der modularisierten Vakuumpumpen wird sowohl für die klassische Wasserringpumpe als auch für die KHS-Vakuumpumpe Eco angewendet. Klares Plus der Vakuumpumpe Eco: die gezielte Wassereinsparung. Zusätzliche Komponenten der Vakuumpumpe Eco betreffen Bier-Vorabscheider und Wärmetauscher. Während komprimiertes Gas – ebenso wie bei der klassischen Vakuumpumpe üblich – auch bei der Vakuumpumpe Eco gezielt abgeleitet wird, gelangt das Wasser bei der Vakuumpumpe Eco in einen Wärmetauscher und wird dort den Anforderungen gemäß heruntergekühlt. Somit entfällt die für die klassische Vakuumpumpe nötige Frischwasserzuführung zur Reduzierung von Wassertemperaturen bevor Wasser in Richtung Saugseite der Pumpe gefördert wird. Liegt der Durchschnittswert für die klassische Vakuumpumpe bei einem Wasserverbrauch von 12 Liter Wasser/hl Bier, verbraucht die Vakuumpumpe Eco pro hl Bier gerade einmal 0,3 Liter Wasser. Demzufolge lässt sich gegenüber der klassischen Vakuumpumpe bei der Vakuumpumpe Eco von einer Reduzierung des Wasserverbrauchs um 97 Prozent sprechen. …mit dem zusätzlichen Plus der Kühlleistungsreduzierung Sämtliche bereits genannten Vorteile einer Modularisierung von Vakuumpumpen greifen sowohl für die klassische Wasserringpumpe als auch für die Vakuumpumpe Eco. Ein nochmaliger Vorteil, der durch die Modularisierung ausschließlich für die KHS-Vakuumpumpe Eco gegeben ist: Reduziert sich der Stromverbrauch bedingt durch ein permanentes Betreiben von Pumpen im optimalen Betriebspunkt, vermindert sich im gleichen Maße die innerhalb des Wärmetauschers benötigte Kühlleistung. Eine bis zu 45prozentige Kühlleistungsersparnis kann hier stattfinden. Für künftige Energieeffizienz-Vorschriften schon heute gerüstet Mit der Modularisierung der Vakuumpumpen erfüllt KHS nicht nur aktuelle (EC Nr. 640/2009), sondern auch in Zukunft zum Tragen kommende Energieeffizienz-Vorschriften der EU zur Gestaltung von Motoren. Da die baugleichen Vakuumpumpen mit IE2-Motor und -Frequenzumrichter ausgerüstet sind, ist KHS nach derzeitigem Stand gesetzlicher Vorgaben sogar bereits für die ab 01.01.2017 geltenden Energieeffizienz-Vorschriften bestens gerüstet. Bis ins letzte Detail durchdacht Insgesamt gesehen bietet das neue Konzept einer Modularisierung von Vakuumpumpen Brauereien ein umfassendes Vorteilspaket. Ein Vorteilspaket, das allein durch eine Integration eines Frequenzumrichters in bestehende Vakuum-Pumpenkonzepte so nicht erreichbar gewesen wäre. So beinhaltet das neue System ergänzend zu der Reduzierung des Stromverbrauchs die Vorteile einer möglichen Redundanz, einer besonders zügigen Ersatzteilversorgung sowie einer vereinfachten Wartung. Was schließlich die gesteigerte Anlagenverfügbarkeit und damit verbunden einen konkreten Gewinn an Produktionsleistung nach sich zieht.
