gesponsertEffizienz in der Prozesstechnik Fluidtechnik für das Plus an Energieeffizienz

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Bürkert GmbH & Co. KG

Klimaschutz, Ressourcenschonung und Energiepreise zwingen die Prozessindustrie, ökonomische und ökologische Aspekte zu berücksichtigen. Nicht weniger, besser lautet das Mantra – Auf solche Prozessintensivierung haben Fluidik-Komponenten und -Systeme sowie Sensoren und Regelsysteme entscheidenden Einfluss.

Ein teures Geschäft: Glaubt man dem Statistischen Bundesamt, war alleine die Chemie für 27,9 Prozent des Energiebedarfs der gesamten deutschen Industrie verantwortlich. Das geht – nicht erst in Folge von Ölpreiskrisen und Kohleausstieg – ins Geld und macht sich in der Nachhaltigkeitsbilanz bemerkbar. Sparen ist also das Gebot der Stunde, am besten ohne bei der Produktion Abstriche machen zu müssen. Gar nicht so einfach, sind doch moderne Anlagen und Verfahren schon in hohem Maße auf Effizienz getrimmt. Und doch gibt es sie noch, die versteckten Energiefresser und ungenutzten Potenziale – es lohnt sich also, genauer hinzuschauen, auch und gerade bei scheinbaren Hilfsprozessen wie der Fluidik.

So lassen sich durch die clevere Wahl der richtigen Komponenten schnell fünfstellige Eurobeträge einsparen: So spielen elektropneumatische Ventile, bei denen eine elektronische Ansteuerung mit einem Druckluftantrieb kombiniert wird, in zahlreichen Anwendungen von der Prozessindustrie bis zur Automation ihre Vorteile wie Betriebssicherheit, schnelle Schaltzeiten und einfache Vernetzung aus. Doch wo Licht ist, ist auch Schatten: Übliche Komponenten benötigen stets eine gewisse Menge Druckluft, um das Ventil im ausgesteuerten Zustand quasi festzuhalten.

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Dass es auch anders geht, zeigen die Fluidikexperten von Bürkert mit den SideCONTROL-Stellungs- und -Prozessreglern. Einfach auf gängige Schub- und Drehantriebe montiert, lassen sie sich per IO-Link, Asi, Profinet, Profibus, Modbus TCP oder Ethernet ansteuern. Und das ist noch nicht alles: So ausgerüstete Ventile benötigen nur Druckluft, wenn tatsächlich eine Regelaktion, also eine Bewegung des Stellglieds, ansteht. „Mit dem Einsatz von SideCONTROL sparen Betreiber ab Sekunde Eins – auch in Bestandsanlagen“, ist sich dementsprechend Daniel Jakob, Ventilexperte bei Bürkert, sicher. Das macht sich bezahlt: Bei typischen Druckluftverbräuchen im Hundertliter-Maßstab lassen sich pro Ventil drei- bis vierstellige Beträge einsparen, erklärt der Fluidik-Spezialist. Da in einer typischen Industrieanlage ein Ventil selten alleine kommt, skalieren diese Werte zu beträchtlichen Beträgen.

Dabei braucht es nicht einmal eine Neuanlage: Die SideCONTROL-Stellungsregler lassen sich auf nahezu allen Schub- und Drehantrieben montieren – und das ganz ohne in die Fluidik eingreifen zu müssen. Das bestehende Ventilgehäuse und die medienberührten Teile können bei einem Retrofit unberührt bleiben – und die Ansteuerung per IO-Link, Profibus, Modbus TCP oder Ethernet garantiert die Einbindung in das Leitsystem der Anlage. Funktionen wie X.TUNE oder P.TUNE stellen den Stellungs- oder Prozessregler per Knopfdruck perfekt auf das jeweilige Ventil ein, erklären die Entwickler. Und auch an die Prozesssicherheit ist dank eingebauter Diagnosefunktion gedacht.

Technik im Fokus:Durchblick beim Durchfluss

Berührungslos messen, auch bei geringer Leitfähigkeit: Das verspricht die FLOWave-Technologie von Bürkert. Dabei setzen die Fluidik-Experten nicht auf magnetisch-induktive Effekte oder Einbauten im Rohr, sondern nutzen akustische Oberflächenwellen (Surface Accoustic Waves, kurz SAW). Auf der Außenseite des Messrohrs angebrachte Sensoren senden von beiden Seiten einen Puls in das strömende Medium hinein. Durch die Bewegung des Fluids kommt es dabei zu Laufzeitunterschieden, aus denen präzise der Durchfluss berechnet werden kann. Da keine Messglieder ins Rohr hinein ragen und sich die Rohrgeometrie nicht ändert, fließt das Medium frei und ohne Toträume oder zusätzliche Turbulenzen.

Anders als magnetisch-induktive Messgeräte benötigt FLOWave keine Mindestleitfähigkeit. Es eignet sich daher auch für gering leitfähige Medien, etwa Reinstwasser. Je nach Ausführung erfasst das Gerät zusätzlich Temperatur und einen Dichtefaktor und kann helfen, Produktwechsel oder Abweichungen im Prozess zu erkennen. Typische Einsatzfelder finden sich in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie in der Pharma- und Biotechnologie.

Ventilgehäuse als Energiespar-Champion

Es lohnt sich also, bei kleinen Komponenten hinzuschauen. Selbst unscheinbare Bauteile wie Ventilgehäuse können in Sachen Effizienz dazulernen. Richtig gelesen, selbst das starre Gehäuse verbraucht Energie – einmal, wenn die Bauteile aus massivem Metall geformt werden, aber auch, wenn sie etwa in Sterilisationsprozessen aufgeheizt werden müssen: So wird während des SIP-Vorgangs (Sterilization in Place) eine große Mengen Reinstdampfes benötigt, um die massereichen Ventilkörper auf Sterilisationstemperatur zu bringen. Gleichzeitig verlängert sich dadurch der Chargenwechsel, da sich die dickwandigen Gehäuse nur langsam erhitzen und abkühlen.

Die Rechnung ist also einfach: Je massiver und schwerer das Ventilgehäuse, desto aufwendiger sind Fertigung und Reinigung. Für die Entwickler bei Bürkert Anlass genug, ein Leichtbau-Gehäuse ins Programm zu nehmen, bei dem der Ventilkörper nicht aus dem vollen Block gefräst oder durch Maschinenschmieden geformt wird. Der Tube Valve Body entsteht aus einem glatten Rohr – und das nicht durch Umschmieden, sondern durch Hydroforming. Dabei wird das Edelstahlrohr direkt in das Werkzeug eingelegt und unter hohem Innendruck umgeformt. Durch gezielte Druckverteilung und kontrollierte Wärmebehandlung entsteht so ein präzise geformtes Ventilgehäuse, das ohne Schweißnähte im medienberührenden Bereich auskommt. Und nicht nur das: Da das Gehäuse aus einem einzigen Rohstück geformt wird, hat es auf ganzer Länge die gleiche Wandstärke und ist entsprechend robust.

Ein typisches 2-Zoll-Ventil ist so bis zu 75 Prozent leichter als ein entsprechendes Schmiedeteil – das spart Material und Energie während der Fertigung, aber auch im Betrieb: Denn wo weniger Metall ist, muss auch nicht so viel Masse aufgeheizt oder abgekühlt werden. Ein Rechenbeispiel zeigt das deutlich: Wird während des Sterilisationsprozess die Temperatur um 100° erhöht, können sich pro SIP-Zyklus Energieeinsparungen von über 50 Prozent ergeben. Ganz nebenbei sparen Betreiber so bei jedem Chargenwechsel Zeit und erhöhen die Produktivität ihrer Anlage, während die temperaturempfindlichen Ventilmembranen geschont werden. In manchen Anwendungen kann so die Membran-Standzeit verdoppelt werden, was die notwendigen Servicezyklen deutlich verlängert.

Allerdings kommt ein Ventil selten alleine – auch nicht in der Pharmazeutika- und Biotech-Produktion, wo Rohrleitungen und Schläuche zu geschlossenen Kreissystemen vernetzt werden. Damit lassen sich Medien wie WFI (Water for Injection), Reinstwasser oder sterile Medien kontinuierlich im Kreis fördern und der Eintrag von Keimen minimieren. Anstatt Medien über Stichleitungen zu den einzelnen Entnahmestellen (Zapfstellen) zu transportieren, zirkuliert die Flüssigkeit permanent im Kreis. Die Entnahme erfolgt über spezialisierte Y- und T-Membranventile direkt an der Strömung, um stehendes Wasser und somit Biofilmbildung zu verhindern.

Weniger Totraum: Sparen beim Reinigen

Derartige Ringsysteme für vier bis zehn Medien sind seit etwa den 80er Jahren Stand der Technik. Dabei werden traditionell Standard-Membranventile genutzt, was jedoch eine Reihe Nachteile, wie etwa ein großes Innenvolumen und zahllose Schweißstellen mit sich bringt. Auch der Medienwechsel gestaltet sich schwierig: Je nach Einbaulage ist eine vollständige Restentleerung nicht immer möglich, wodurch es zur Medienverschleppung kommen kann: Betreiber müssen deshalb klären, ob und wann Zwischenreinigungen nötig sind. Die Einbauposition im Ring ist auch für den Reinigungsaufwand, der viel Material, Energie und Zeit beanspruchen kann, entscheidend. Bei massereicher Bauweise verlängert die langsame Erwärmung die Sterilisation, erhöht den Energieverbrauch und belastet die Membranen thermisch. Sie verschleißen schneller – mit Anlagenstillstand, zusätzlichem Serviceaufwand und erneuter Sterilisation als Folge.

Doch was in Zeiten von Synthie-Pop und Vokuhila Stand der Technik war, muss es heute nicht mehr sein: Multiportventile wie das Robolux-System von Bürkert kombinieren unabhängige Umschaltfunktionen für zwei Prozesse in einem Gehäuse mit nur einer Membran und nur einem Doppelantrieb. So lassen sich komplexe Knotenpunkte mit einer großen Anzahl von Teilnehmern und Funktionen realisieren, die dennoch vergleichsweise wenig Platz benötigen und bessere fluidische Eigenschaften haben, erklären die Entwickler. Ein solches Multiportventil benötigt ca. 40 Prozent weniger Platz und damit auch weniger Reinigungsaufwand und Heizenergie. Von den so möglichen kürzeren Sterilisationszeiten profitiert zudem wieder die Lebensdauer der Membranen und der Wartungsbedarf sinkt. Auch in anderen Bereichen, wie etwa bei der Medientrennung für Chromatografie-Prozesse, profitieren Anwender von diesen Vorteilen der Mehrwege-Membranventilen.

Energieeinsparung durch effiziente Ventiltechnik: Erfahren Sie, wie sich Energieverluste gezielt reduzieren und bestehende Anlagen effizient modernisieren lassen – ohne Eingriff in laufende Prozesse!

Effizienz-Systeme für die Gasdruckregelung

Da kaum ein Prozess dem anderen gleicht, braucht es auf die Applikation angepasste Lösungen, um Energie zu sparen und die Effizienz zu steigern. Kein Wunder, dass Bürkert Anwender sowohl bei Standardlösungen als auch bei individuellen Entwicklungen unterstützen will, etwa mit Systemen zur Gasdruckregelung. Denn gleichgültig, ob Wasser mit Kohlensäure, Bier oder Impfstoffe hergestellt werden, die Gasatmosphäre in Tanks erfordert eine genaue Überwachung. Die Druck-Regelsysteme 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 – 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 Monitoring-System 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.

Nicht mehr Energie als nötig

Wenn es um das schnelle, automatisierte Schalten geht, kommen häufig Ventile mit elektromagnetischen Aktoren zum Einsatz. Diese schalten zwar zuverlässig und präzise, benötigen aber auch Energie, um das Ventil aktiv „offen“ zu halten. Für derartige Anwendungen bietet der Fluidik-Spezialist Bürkert mit seinem Magnetventilprogramm energiesparende Lösungen mit Doppelspule und sogenannter 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. 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).

Hinsehen in Sachen Fluidik: Es lohnt sich

In der Fluidik hat sich in den letzten Jahrzehnten einiges getan: Auch die hardwarelastige Komponentenbranche kann sich den Megatrends Digitalisierung, Vernetzung und Energieeffizienz nicht entziehen. Vernetzte und digitalisierte Ventile lassen schon einmal die Grenzen zwischen Fluidik und Automatisierung verschwimmen, während effiziente Detaillösungen zeigen, welches Potenzial in den Stoffkreisläufen steckt. Hinschauen lohnt sich – im Portmonee und der Umweltbilanz!

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