Projekt 26836/01

Entwicklung neuer prozessführender Komponenten zur Reduktion des Energieverbrauchs kleiner Gesenkschmiedeöfen

Projektträger

Gesenk- und Freiformschmiede
Otto-Kirchhof-Str. 5
09217 Burgstädt
Telefon: 03724 / 186511

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Ziel des Vorhabens besteht in der Erarbeitung einer Demonstratorlösung und deren Testung an einem Kleinschmiedeofen im Antrag stellenden Unternehmen zur signifikanten Einsparung an Primärenergie durch die Optimierung und den Einsatz neuer prozessführender Komponenten an einem Gesenkschmiedeofen. Aufgrund des Modellcharakters des Lösungsansatzes soll die Basis dafür geschaffen werden, bei erfolgreichem Projektabschluss alle im Unternehmen befindlichen Öfen mit dieser Lösung auszustatten und darüber hinaus interessierten Unternehmen dieses Verfahren zugänglich zu machen.
Bei Umsetzung dieser Maßnahme prognostizieren wir einen Gesamtwirkungsgrad der Anlage von ca. 60%-90% an Primärenergie. Im Vergleich zum heutigen Stand würde der Wirkungsgrad der Anlage damit von derzeit ca. 14% auf etwa 75% erhöht. Das bedeutet beim Einsatz in allen 5 Schmiedeöfen im Unternehmen, allein bei der Fa. Kutsche eine jährliche Einsparung an Heizöl von etwa 208.000 l. Die damit verbundene Reduzierung der umweltschädlichen CO2 Emission kann auf diese Weise um 562 t im gleichen Zeitraum verringert werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Durchführung des Projektes beinhaltet schwerpunktmäßig 4 Arbeitsetappen, in welchen über die Projektlaufzeit von 14 Monaten, anhand einer Demonstratoranordnung die Funktionsfähigkeit der zu erarbeitenden Lösung nachgewiesen werden soll.
Die Entwicklung und Konstruktion, der Bau und der Test des zu entwickelnden Demonstrators bestimmen die Arbeiten der ersten drei Arbeitsetappen. In einer abschließenden Validierungsphase zur Gesamtanordnung (Etappe 4), auf der Basis der Testergebnisse an dem Demonstrator, sollen die Grundlagen für eine außerhalb der Projektlaufzeit stattfindenden Erarbeitung einer fertigungsreifen Lösung geschaffen werden.
Schwerpunkte der ersten Etappe bildet die Erarbeitung des technischen Lösungsansatzes für das Gesamtsystem. Die Einzelkomponenten wie Brenner mit dazugehöriger Brennersteuerung, die anwendungsbezogene Gestaltung von Brennraum und Arbeitsraum, die energieoptimierte Anbindung von Rekuperator an den Arbeitsraum, die Optimierung des Rekuperators für die größtmögliche Wärmerückgewinnung sowie die intelligente Gestaltung von Anwendungsschnittstellen zum multivalenten Einsatz des Lösungsvorschlages, werden als Einzelkomponenten optimiert und für die geplanten Anwendungsfälle angepasst. In der zweiten Arbeitsetappe des Projektes werden die Einzelkomponenten wie Brenner, Rekuperator und Bauteilmagazin für den aufzubauenden Demonstrator gebaut. Zur Demonstration und zum Test der Anordnung werden abschließend die Komponenten in einem Gesamtsystem an einem Schmiedeofen des Unternehmens zusammengefügt. Die dritte Etappe beinhaltet den Test des Demonstrators unter fertigungsähnlichen Bedingungen. Dabei sollen anhand von Messungen am Demonstrator die prognostizierten Werte für die Einsparungen durch das neu entwickelte System nachgewiesen werden. Eine abschließende Einschätzung zum erreichten Wirkungsgrad beenden die Arbeiten in dieser Phase. Die vierte Arbeitsetappe fasst nach einer Validierungsphase die Erkenntnisse aus den Arbeiten der vorangegangenen Etappen zusammen. Optimierungspotentiale aus den erfolgten Messungen, Verbesserungen in Montage, Handling und Funktionsanbindungen für die entwickelten Einzelkomponenten, aber auch für die Verquickung im Gesamtsystem werden für eine geplante Überführung in eine fertigungsreife Lösung nach Projektabschluss, zusammenfassend zusammengestellt.


Ergebnisse und Diskussion

Das Projekt konnte am 30.06.2010 erfolgreich abgeschlossen werden. Die geplanten vier Arbeitspakete wurden erfüllt. Sie trugen durch die klare Strukturierung auch in Verbindung mit den kooperierenden Projektpartnern Westsächsische Hochschule Zwickau (FH) Professur Wärmetechnik, Firma Fbb Engineering Feuerfest- und Brennerbau GmbH, Firma METACON und Firma Bachmann zum positiven Ergebnis des Vorhabens bei.
Im Ergebnis der Arbeiten wurde ein Demonstrator entwickelt, an dem weitestgehend alle Funktionalitäten erfolgreich nachgewiesen werden konnten. Im Ergebnis der durchgeführten Messungen am Rekuperator konnten die im Projektantrag prognostizierten Werte für die Reduzierung des Ölverbrauches und der CO2 Emission des Unternehmens noch weiter reduziert werden.
Während der Entwicklungsarbeiten am Demonstrator haben sich noch Defizite an der Zuführungs- und Greifeinrichtung ergeben. Dabei wurde die für den optimalen Betrieb erforderliche Taktzeit der Zuführung von 30 Sekunden noch nicht erreicht. Das systembedingte z. T. asymmetrische Erfassen der zu erwärmenden Teile verhinderte bisher eine problemlose Zuführung in den Rekuperator.
Beide Probleme werden derzeit analysiert um sie einer anwendungsgerechten Lösung zuzuführen. Bei der erfolgreichen Lösung dieser beiden defizitären Bereiche ist mit weiterem Optimierungspotential zu rechnen (zusätzlich zu dem bereits messtechnisch nachgewiesenen Einsparpotential).


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Im Ergebnis des Projektes wurde der erarbeitete Lösungsvorschlag als Patent angemeldet. Es wird derzeit unter dem Az. 10 2009 049 678.5-24 geführt und liegt zur Veröffentlichung bereit.
In Zusammenhang mit der erarbeiteten Lösung am Demonstrator wurde das Unternehmen Gesenkschmiede Stefan Kutsche im August 2010 mit dem Umweltpreis der Handwerkskammer Chemnitz ausgezeichnet. Dazu erfolgte eine entsprechende Publikation in der Presse.


Fazit

Die während der Projektlaufzeit erarbeiteten theoretischen und praktischen Ergebnisse werden in einer nachfolgenden Produktentwicklung umgesetzt.
Die Anlagen sollen nicht nur im eigenen Unternehmen sondern vor allem für den Einsatz in anderen Unternehmen mit ähnlichen technologischen Abläufen eingesetzt werden. Dazu ist in der Folge ein Entwicklungs- und Fertigungsverbund aufzubauen, da die einzelnen Komponenten mit jeweils auf ihrem Gebiet führenden Unternehmen entwickelt und zum Gesamtsystem gefügt werden müssen. Es sind weiterhin Reparatur- und Wartungsstrategien zu entwickeln, um einen stetigen reibungslosen Einsatz bei den Kunden zu sichern. Die Marktchancen für diese Anlagen sind als gut einzuschätzen. Weitere Untersuchungen zu arbeitsteiligen Prozessen, Potenzen, Absatzmärkten, Vermarktungsstrategien, usw. sind in einem noch folgenden Projekt durchzuführen.
Dazu sollen in einem bereits begonnenen Langzeittest von 6 Monaten am erarbeiteten Demonstrator mögliche Schwachstellen aufgezeigt werden, welche während eines Fertigungseinsatzes auftreten könnten und bei der Entwicklung des Serienproduktes berücksichtigt bzw. verändert werden müssen.
Die bisher erkannten Probleme bei Greifer und Teilezuführung sind zu beheben und einer fertigungsgerechten Lösung zuzuführen.
Weiteres Optimierungspotential besteht in der Reduzierung der Rekuperatorhöhe in einer anwendungsreifen Lösung. In Abhängigkeit der anfallenden Wärmemenge, der Werkstückgeometrien und der minimal erreichbaren Zuführungszeiten durch die Transporteinrichtung kann die Länge des Rekuperators von derzeit etwa 7 Metern Höhe ggf. auf eine geringere Höhe reduziert werden.