Luftschleiersysteme für die effektive Erfassung von Emissionen an Druckgießmaschinen zur Steigerung der Nachhaltigkeit und Energieeffizienz von Gießereien
Projektdurchführung
KMA Umwelttechnik GmbH
Eduard-Rhein-Str. 2
53639 Königswinter
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Ziel des Projekts ist die Entwicklung und Validierung eines numerischen Auslegungs- und Simulati-onsmodells für ein Raucherfassungssystem mit Luftschleier an Druckgießmaschinen. Ausgangs-punkt bildet der Bau und Betrieb eines Prototyps an einer Druckgießmaschine an der Universität Kassel, dessen Auslegung maßgeblich auf dem entwickelten Modell basiert. Mithilfe numerischer Strömungssimulationen und begleitender praktischer Versuche werden die erforderlichen Strö-mungsparameter, Luftmengen und geometrischen Randbedingungen für eine wirksame Raucher-fassung untersucht und empirisch validiert. Auf dieser Grundlage soll die grundsätzliche techni-sche Machbarkeit des Luftschleierkonzepts nachgewiesen und soweit möglich ein übertragbares Auslegungsmodell entwickelt werden, das perspektivisch eine Skalierung auf unterschiedliche Ma-schinen- und Anlagengrößen in Druckgießzellen ermöglicht.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden
Im Rahmen des von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Entwicklungspro-jekts (Az 38828/01) der KMA Umwelttechnik GmbH, Königswinter, und dem Fachgebiet Gießerei-technik der Universität Kassel wurde ein Luftschleiersystem zur lokalen Raucherfassung an Druckgießmaschinen konzipiert, simulativ ausgelegt, konstruktiv umgesetzt und experimentell er-probt. Ausgangspunkt ist die Emissionsentstehung beim Sprühvorgang (Trennmit-tel‑Wasser‑Gemisch bzw. ölbasiertes Trennmittel), dessen Verdampfung/Vernebelung ohne lokale Erfassung zu Hallenluftbelastung, Ablagerungen, erhöhten Risiken (u. a. Arbeitsschutz, Brandlast) sowie zu Energieverlusten durch Hallenlüftung führen kann. Ziel des Vorhabens war die Entwick-lung eines zuverlässigen Auslegungs- und Simulationsmodells für ein platzsparendes, modular integrierbares Luftschleiersystem, das auf unterschiedliche Maschinengrößen übertragbar ist und eine Erfassungsrate von ≥ 95 % ermöglicht.
Zur Auslegung wurde eine CFD‑Simulationsmethodik entwickelt und in Parameterstudien ange-wandt. Ergänzend wurde ein Messkonzept zur Bewertung der Erfassungsleistung aufgebaut. Pa-rallel erfolgte die konstruktive Entwicklung eines Prototyps und die Integration in eine Thixomol-ding‑Druckgießzelle (Yizumi UN1250MgII) am Fachgebiet Gießereitechnik der Universität Kassel.
Ergebnisse und Diskussion
Die CFD‑Studien identifizierten den Erfassungsvolumenstrom und Blasvolumenstrom als maßgeb-liche Einflussgrößen auf die Erfassungsrate; Querströmungen und zu hohe Blasvolumenströme wirken nachteilig, ein größerer Luftspalt verbessert de Erfassung. In praktischen Gießversuchen wurde die Zielgröße von 95 % Erfassungsrate erreicht. Die Versuche bestätigten qualitativ die Si-mulationserkenntnisse; zugleich kamen aber auch die Grenzen des Simulationsmodells zutage.
Energetisch wurde gegenüber einer klassischen Haubenlösung eine um etwa 1,8 kW erhöhte elektrische Leistungsaufnahme ermittelt, was wie erwartet in höheren Betriebskosten resultiert. Im Vergleich zu einer zentralen Abluftanlage ohne lokale Raucherfassung wird jedoch ein deutlich po-sitiver Effekt erzielt, wobei die Reduktion der Betriebskosten um ca. 89 % bei gleichzeitig nahezu 90 % geringeren CO₂‑Emissionen beträgt. Materialseitig weist der errichtete Prototyp geringere herstellungsbedingte CO₂‑Äquivalente von ca. 16,3 t CO₂ (Luftschleier) gegenüber ca. 17,1 t CO₂ (Haubenlösung) auf.
Für größere Anlagen zeigen Skalierungssimulationen bei gleichbleibenden Volumenströmen sin-kende Erfassungsraten; bei 40 % vergrößerter Geometrie wird eine maximale Erfassungsrate von ca. 75 % simulativ berechnet.
Die Ergebnisse zeigen, dass für größere Druckgießmaschinen höhere Blas- und insbesondere höhere Erfassungsvolumenströme sowie ein größerer Luftspalt erforderlich sein werden und dass eine Auslegung für Großanlagen nicht allein auf Basis des entwickelten Simulationsmodells erfol-gen sollte. Als nächster Schritt werden daher weitere Versuche an einer größeren Anlage empfoh-len. Zudem sollen weitere Optimierungen in Bezug auf Energiebedarf und Geometrien wesentlicher Anlagenteile durchgeführt werden.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
Die Projektpartner hatten bereits die Gelegenheit, die Arbeit am Projekt sowie die derzeitigen Erkenntnisse an Gießereien und Druckgießmaschinenhersteller auf internationalen Fachmessen vorzustellen und zu diskutieren, insbesondere
– NADCA Die Casting Congress & Exposition, 30.09.-02.10.2024
– EUROGUSS Mexiko, 15.-17.10.2025
– EUROGUSS Nürnberg, 13.-15.01.2026.
Weitere Messeauftritte sind geplant. Darüber hinaus gab und gibt es vertiefende Vorstellungen und Gespräche mit ausgewählten internationalen Gießereien und Druckgießmaschinenherstellern.
Die Projektpartner streben Publikationen in Fachmedien wie der GIESSEREI sowie wissenschaft-liche Ausarbeitungen als Reviewed Paper an.
Fazit
Insgesamt zeigt sich, dass der Einsatz einer Luftschleiertechnologie eine gute Möglichkeit der Er-fassung von Emissionen im Druckgießprozess bietet. Insbesondere für Gießereien, in denen der Einsatz einer Haubenlösung betriebsbedingt nicht möglich ist, bietet die Luftschleiertechnologie eine gute Alternative. Die Einsparungen, die wie auch im Betrieb mit Erfassungshauben durch den Umluftbetrieb erzielt werden, haben das Potenzial von bis zu 90% des Energiebedarfs für die Hal-lenlüftung. Somit werden auch die CO₂-Emissionen um bis zu 90% gesenkt.