LoTuS | Erfolgreicher Projektabschluss

Nach 3,5 jähriger Bearbeitung wurde das Forschungsprojekt „LoTuS“ (Leistungsoptimierte Trocknung und Sauberkeit) im Mai 2023 erfolgreich abgeschlossen. Während die Bedeutung der Bauteilreinigung in Prozessketten der metallbearbeitenden Industrie in den letzten Jahren gestiegen ist, besteht weiterhin eine Lücke in Bezug auf Energieeffizienz bei Auslegung und Betrieb der entsprechenden Anlagen. Herausforderung liegen in der Komplexität der ablaufenden Prozesse sowie mangelnder Kenntniss über Einflussfaktoren, sodass die Auslegung überwiegend erfahrungsbasiert erfolgt. Im Mittelpunkt des Forschungsprojekts stand die Steigerung der Energieeffizienz und -transparenz in Bauteilreinigungs- und -trocknungsanlagen, wobei grundlegende Forschung zum Thema Wasserverdunstung, technische Optimierungen auf Anlagenebene sowie experimentelle Validierung kombiniert wurden.

Die im Projekt entwickelte Durchlaufreinigungsanlage (Abbildung 1) dient als Demonstrationsprüfstand und besitzt eine modular verschiebbare Trocknungszone, die den Wechsel zwischen Umlufttrocknung und Vakuumtrocknung ermöglicht. Neben einem Heizregister zur Erwärmung der Zuluft wurden im Zuge des Projekts Infrarotstrahler (IR) sowie ein Induktionsmodul zum zielgerichteten Wärmeintrag in die Bauteile entwickelt und getestet. Darüber hinaus besitzt die Maschine eine umfangreiche Dämmung der Komponenten und einen maschineninternen Warmwasserkreislauf zur Wärmerückgewinnung aus der Schwadenkondensation. Zudem ist die Anlage thermisch an die Gebäudenetzte zur Wärme- und Kälteversorgung angeschlossen, um überschüssige thermische Energie an das gebäudeseitige Versorgungssystem abzugeben.

Im Folgenden werden einige zentrale Ergebnisse des Forschungsprojekts herausgestellt:

• Zur Optimierung der konvektiven Trocknung wurde auf Basis thermodynamischer Vorüberlegungen ein Maßnahmenkatalog abgeleitet und in der Praxis untersucht. Dabei wurde deutlich, dass sich durch Anpassung der Prozessparameter sowohl die Trocknungsdauer verkürzen als auch der Energieeinsatz für die gegebene Aufgabe bei verringern lässt.
• Die experimentellen Versuche mit IR-Strahlern und Induktor zeigen, dass diese in der Praxis einsetzbar sind und bei verringertem Energiebedarf gleichbleibende Trocknungsergebnisse erzielen. Dabei lässt sich der Leistungsbedarf der Umlufttrocknung durch den Einsatz von IR-Strahlern zwischen 10-40% und bei Einsatz der Induktion zwischen 47-59% reduzieren. Dies ergibt am Hauptanschluss Einsparungen von bis zu 10% bzw. bis 20%.
• Im Abwärmemanagementsystem wird die Abwärme aus der Schwadenkondensation und den Komponenten der Induktions- und Vakuumtrocknung maschinenintern rekuperiert. Hierbei dient die zur Kühlung eingesetzte Kältemaschine gleichzeitig als Wärmepumpe und hebt die Abwärme auf ein höheres Temperaturniveau (ca. 60 °C). Die Abwärme wird dann den Tanks zugeführt, sodass im Betrieb keine elektrische Beheizung der Tanks mehr notwendig ist. Überschüssige Wärme kann darüber hinaus an das Gebäudenetz abgegeben werden. Versuche unter Variation verschiedener Parameter haben Einsparung von bis zu 23% am Hauptanschluss der Maschine ergeben, wobei ein stabiler Dauerbetrieb gewährleistet wurde.
• In der Praxis wird die Bauteiltrocknung derzeit zumeist erfahrungsbasiert ausgelegt und ohne anpassungsfähige Prozessregelung betrieben, sodass Ineffizienz aufgrund der Übertrocknung von Bauteilen entsteht. Um dem zu begegnen, wurde im Zuge des Projekts ein Expertensystem auf Basis von Energiekennzahlen entwickelt, welches Anwender beim Monitoring und der Prozessoptimierung unterstützt. Dieses beinhaltet ein innovatives Konzept zur Restfeuchtedetektion mittels einer Wärmebildkamera, welches einerseits eine Quantifizierung des Trocknungsergebnisses ermöglicht und andererseits Basis für die energieeffiziente und bedarfsgerechte Prozessregelung ist.

In dem Projekt konnten somit in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern vielschichtige Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz in der Bauteiltrocknung und -reinigung identifiziert sowie mit der eigens entwickelten Demonstrationsanlage umgesetzt und validiert werden. Dabei zeigen sich signifikante Einsparpotentiale, durch alternative Trocknungstechnologien und Abwärmenutzung, die in die industrielle Praxis übertragen werden können.