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Steigerung der Energieeffizienz von Keilzinkenanlagen

AutorChristen Matthies
VerlagGRIN Verlag
Erscheinungsjahr2013
Seitenanzahl145 Seiten
ISBN9783656488231
FormatPDF/ePUB
Kopierschutzkein Kopierschutz/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis24,99 EUR
Masterarbeit aus dem Jahr 2011 im Fachbereich Ingenieurwissenschaften - Maschinenbau, Note: 1,3, Hochschule Hannover, Sprache: Deutsch, Abstract: Steigende Energiepreise und ein zunehmendes Bewusstsein für ökologische Fertigungsprozesse und Nachhaltigkeit in der massivholzverarbeitenden Industrie führen dazu, dass bei Beschaffung neuer Produktionsanlagen deren Energieeffizienz mehr und mehr in den Fokus gerät. In Keilzinkenanlagen werden Massivhölzer automatisch in Längsrichtung zu einem definierten Strang verbunden. Dazu werden die einzelnen Hölzer durch die Anlage transportiert, spanend bearbeitet, mit Klebstoff versehen und miteinander verbunden. Der so entstandene Strang wird anschließend verpresst und schließlich auf das gewünschte Maß abgelängt. An diesem Gesamtprozess ist eine große Anzahl von Energieverbrauchern beteiligt und es werden verschiedene Energieformen eingesetzt. Neben der elektrischen Energie wird vor allem Druckluft verwendet. Zur Entsorgung der anfallenden Holzspäne muss der Anlagenbetreiber aber auch eine entsprechende Absauganlage bereitstellen, die wiederum einen beträchtlichen Energieverbraucher darstellt. Im Rahmen dieser Masterarbeit sind konkrete Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz von Keilzinkenanlagen zu entwickeln. Der Student Christen Matthies soll anhand einer typischen Anlagenkonfiguration einer Kurzholzanlage den Energieverbrauch gesamtheitlich systematisch erfassen und analysieren. Aus den Untersuchungsergebnissen sollen Ansätze zur Steigerung der Anlagen-Energieeffizienz entwickelt und deren Potenzial untersucht werden. Dabei dürfen bestehende Systeme und Baugruppen durchaus in Frage gestellt werden. Die Produktionsleistung der Anlage darf sich durch die vorgeschlagenen Änderungen jedoch nicht verringern. Im weiteren Verlauf der Arbeit sollen die Maßnahmen mit dem größten Potenzial herausgearbeitet und in einer Handlungsempfehlung konkretisiert werden.

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Leseprobe

4 Aufnahme des bestehenden Anlagenzustands


 

4.1 Auswahl der Anlagenkonfiguration


 

Keilzinkenanlagen von Grecon bestehen aus einer Vielzahl von verketteten Einzeleinrichtungen, um die gesamte Prozesskette der Herstellung abbilden zu können. Eine energetische Untersuchung aller im Produktportfolio enthaltenen Anlagenkonfigurationen übersteigt den verfügbaren zeitlichen Rahmen. Die Analyse beschränkt sich daher auf eine einzige Anlagenkonfiguration. Um die Ergebnisse auch auf andere Modelle von Keilzinkenanlagen anwenden zu können, wird auf eine repräsentative Anlagenkonfiguration geachtet. Folgende Kriterien finden bei der Auswahl Berücksichtigung:

 

 hohe ökonomische Bedeutung für das Unternehmen,

 

 hohe Ausbaustufe der Automatisierungsoptionen,

 

 Abbildung der gesamten Prozesskette,

 

 Verwendung von produktneutralen Standardmodulen und –baugruppen.

 

Durch Anwendung dieser Aspekte wird gewährleistet, dass eine große Schnittmenge zu anderen Anlagentypen besteht und durch einen hohen Anteil nicht anlagenspezifischer Merkmale das Ergebnis der Ist-Analyse zu großen Teilen auf andere Anlagentypen übertragbar ist.

 

Eine Erhebung der Verkaufszahlen des Jahres 2010 sowie des ersten Quartals 2011 liefert die Häufigkeitsverteilung der verkauften Modelle von Keilzinkenanlagen sowie deren Ausbaustufe. Aufgrund der voran genannten Kriterien fällt die Wahl auf eine Keilzinkenanlage des Typs Combipact. Diese ist von den Kunden häufig nachgefragt. Die ausgewählte Konfiguration ist im oberen Leistungsbereich angesiedelt, da in den letzten Jahren ein Trend in Richtung höherer Produktionsgeschwindigkeiten zu verzeichnen ist. Eine Vielzahl der optional möglichen Automatisierungslösungen ist abgedeckt, gleichzeitig ist in der Anlage aber auch der Großteil der standardisierten Produktlösungen integriert.

 

4.2 Kurzbeschreibung der Keilzinkenanlage


 

Die energetischen Eckdaten, der Produktionsablauf sowie das Erscheinungsbild werden im Folgenden kurz erläutert.

 

Der Betreiber hat die zum Anlagenbetrieb erforderlichen Energieträger bereitzustellen. Die Produktionsanlage verfügt über pneumatische und elektrische Verbraucher, desweiteren ist vom Betreiber ein Absauggebläse vorzusehen.

 

Folgende Werte muss die Peripherie erfüllen (Pohl 2010, S. 48):

 

 Druckluft: 3300 Normliter pro Minute mit 8 Bar Relativdruck,

 

 Elektrische Energieversorgung: Betriebsspannung von 220/460 Volt und Nennstrom von 435/200 Ampere bei 133 Kilowatt installierter elektrischer

 

Leistung und 60 Hertz Netzfrequenz[4],

 

 Absaugung: Absauggeschwindigkeit von 30 Meter pro Sekunde bei einem Absaugvolumen von 15000 Kubikmetern pro Stunde.

 

Die Anordnung der einzelnen Komponenten einer Keilzinkenanlage Combipact, die Einspeisung der Energieträger sowie die räumlichen Abmessungen zeigt Abbildung 4.1. Die losen Hölzer werden von Hand in die Fächerpaketierung eingelegt, dabei wird eine Anzahl Hölzer zu einem Paket zusammengefasst. Das Paket wird über die Einschubstation zur Keilzinkenfräse gefördert. Durch die Fräse werden die einzelnen Hölzer des Pakets zweiseitig mit Keilzinken versehen, anschließend erfolgt eine Benetzung mit Klebstoff an den Keilzinken. Die Klebstoffförderung geschieht durch eine separate Pumpe. Ein Bandförderer transportiert das Holzpaket zur Übergabe, in der die Hölzer des Pakets wieder vereinzelt werden. In der folgenden Einfädelung werden die Keilzinkenverbindungen der Einzelhölzer bereits leicht ineinander geschoben. Ein Vorschub fördert den so entstandenen Holzstrang in die Presse, der mit Klebstoff versehene und bereits lose zusammengefügte Holzstrang wird unter Einwirkung einer Presskraft dauerhaft verbunden und nach Aufteilung durch einen oder mehrere Sägeschnitte in der gewünschten Länge aus der Anlage ausgefördert. Der so entstandene Holzstrang kann nun weiterverarbeitet oder als fertiges Produkt verwendet werden.

 

 

Abbildung 4.1 Anlagenlayout der Keilzinkenanlage Combipact

 

 

Aus Sicht der Handhabungstechnik kommen beim Durchlaufen eines Holzes durch die Keilzinkenanlage alle Teilfunktionen zur Anwendung. Diese sind vorrangig die Grundfunktionen Bewegen, Speichern und Menge verändern. Aber auch Sicherungs- und Kontrollfunktionen werden in der Anlage abgefragt.

 

4.3 Systemanalyse


 

Die Systemanalyse bezieht sich auf die vorgefundene Ist-Situation der Keilzinkenanlage. Dabei wird die Analyse „Top-Down“ – also vom System zum Element – durchgeführt. Aus energetischer Sicht sind folgende Schritte zu durchlaufen (Müller et al. 2009, S. 133–136):

 

1. Systemabgrenzung

2. Qualitative Analyse

3. Quantitative Analyse

 

Eine Festlegung der Systemgrenzen ist notwendig, um die Stoff- und Energieströme eindeutig identifizieren zu können. Die Keilzinkenanlage wird als Black Box betrachtet; über die Systemgrenzen hinweg stattfindende Austauschprozesse werden so sichtbar.

 

Die qualitative Analyse gliedert den abgegrenzten Untersuchungsraum in Subsysteme, deren energetische Ein- und Ausgaben erfasst werden können. Als Subsysteme werden die einzelnen Funktionseinheiten der Keilzinkenanlage aufgefasst, da diese als zusammenhängende und in sich abgeschlossene Baugruppen konzipiert sind. Die Subsysteme entsprechen damit der Anlagengliederung wie sie in Abschnitt 4.2 vorgestellt wird.

 

Für die quantitative Analyse sind die Faktoren Energieeinsatz und Bezugsgrößen zu untersuchen.

 

4.3.1 Systemabgrenzung


 

Um die Energie- und Stoffströme zu quantifizieren, ist zu Beginn der Analyse die eindeutige Festlegung der Bilanzgrenzen erforderlich. Abbildung 4.2 zeigt das System der Keilzinkenanlage, deren Energie- und Werkstoffströme sowie die Bilanzgrenze auf.

 

 

Abbildung 4.2 Bilanzierung der Stoff- und Energieströme einer Keilzinkenanlage

 

Aufgenommen in die Bilanzierung werden alle Energieverbraucher, die den einzelnen Maschinen bzw. Bestandteilen der Keilzinkenanlage zuzuordnen sind. Außerhalb des Bilanzraums liegen die Anlagen zur Bereitstellung der Absaugung und der Druckluft, da diese vom Anlagenbetreiber bereitzustellen sind und nicht zum Lieferumfang der Keilzinkenanlage gehören.

 

Als Werkstoffe sind die einzelnen Rohhölzer als Ausgangsmaterial sowie der Klebstoff als Hilfsstoff zur Herstellung der Keilzinkenverbindung aufgeführt. Desweiteren sind zum Betrieb der Anlage eine Anzahl verschiedener Schmierstoffe in Form von Schmierfetten und -ölen in verschiedenen Intervallen zuzuführen. Nach Durchlauf durch die Keilzinkenanlage treten Holz und Klebstoff in Form eines Holzstrangs als Produkt aus, die anfallenden Holzspäne bilden ein Nebenprodukt der spanenden Trennprozesse. Die Verlustenergie tritt vor allem in Form von Wärmeenergie auf, die durch Reibung entsteht.

 

Durch Nutzung der Anfall-Energie kann die Effizienz der Keilzinkenanlage nicht gesteigert werden, da diese durch Diffusion in die Umgebung außerhalb des Bilanzraums der Produktionsanlage liegt. Maßnahmen zur Energierückgewinnung hingegen können die Anlageneffizienz steigern, falls diese Energie wieder der Anlage zugeführt wird.

 

4.3.2 Qualitative Analyse der Energieanwendungen


 

Mithilfe der qualitativen Analyse sollen die einzelnen Energieverbräuche und arten den Anlagenkomponenten zugeordnet werden. Dafür wird das Gesamtsystem Keilzinkenanlage mit der festgelegten Bilanzgrenze in Subsysteme unterteilt. Für einen Überblick über die Verteilung der Energiebedarfe wird hier eine Zuordnung zu den einzelnen Maschinen der Keilzinkenanlage gemäß der Darstellung in Abbildung 4.2 gewählt. Die Einzelmaschinen von der Fächerpaketierung bis zur Presse sind an der Produktentstehung des keilgezinkten Holzstrangs beteiligt. Die Verteilung der installierten elektrischen Nennleistung über die Anlagenteile zeigt Tabelle 4.1. Die mit Abstand größte Nennleistung ist mit 99,6 Kilowatt in der Keilzinkenfräse installiert, es folgt die Übergabe mit 10,98 Kilowatt. Mit dieser Angabe deckt sich die Anzahl der installierten Aktuatoren, die meisten sind ebenfalls in der Keilzinkenfräse (7 Aktuatoren) und der Übergabe (5 Aktuatoren) vorhanden.

 

Tabelle 4.1 Ausrüstungsliste mit Angaben zu elektrischen Verbrauchern

 

 

Die Verteilung des Druckluftbedarfs über die Anlagenteile zeigt gegenüber den elektrischen Verbrauchern eine abweichende Zusammensetzung. Wie in Tabelle 4.2 ersichtlich wird, verbraucht die Presse mit 2094 Normlitern pro Minute den Großteil des gesamten Druckluftbedarfs. Die Keilzinkenfräse mit 359 Normlitern pro Minute sowie die Übergabe mit 277 Normlitern pro Minute sind weitere bedeutende Druckluftverbraucher. In der Presse sind 18 pneumatische Aktuatoren im Einsatz, gefolgt von den Anlagenteilen Keilzinkenfräse (12 Aktuatoren) und...

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