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Grundlagen der Energieübertragungstechnologien für Kühltürme

Suchen Sie nach dem richtigen Verhältnis von Anfangskosten zu Lebensdauerkosten

Von Jerome Jennings, Globaler Produktmanager - Komponenten, SPX Cooling Technologies

Jerome Jennings, Globaler Produktmanager, SPX Cooling Technologies

Jerome Jennings, Globaler Produktmanager, SPX Cooling Technologies

Kühltürme können verschiedene Kraftübertragungstechnologien verwenden, darunter Zahnradantrieb, Riemenantrieb, Direktantrieb und elektronisch kommutierter Antrieb (EC).

Jeder hat Vor- und Nachteile. Durch die richtige Auswahl wird ein angemessenes Verhältnis zwischen Anschaffungskosten und Betriebskosten erreicht.

Übersicht der verfügbaren Antriebstechnologien

Zahnradantriebe bieten moderate Kosten bei geringen Betriebskosten über die gesamte Lebensdauer

Das Zahnradgetriebe ist ein weit verbreitetes System, das Kraft überträgt und seit Jahrzehnten eingesetzt wird. Ein Zahnradantrieb beruht auf einer Innenverzahnung, die zur Kraftübertragung ineinander greift.

In einer Kühlturmanwendung reduziert das Zahnradgetriebe die Hochgeschwindigkeitsleistung vom Motor auf die niedrigere Drehzahl, die zum Antreiben des Lüfters erforderlich ist. Der Asynchronmotor ist relativ klein, weil das Getriebe das Drehmoment vervielfacht.

Zahnradantriebe sind in allen Leistungsstufen des Kühlturms wirksam. Ihre dicken gegossenen Schalen, in denen sich die Verzahnung und das Ölbad befinden, halten der hohen Hitze und Feuchtigkeit im Kühlturm stand.

Getriebe benötigen eine zusätzliche Leerlaufkraft, um die Reibung der inneren Komponenten und die Ölviskosität zu überwinden. Der Nettowirkungsgrad des Getriebes variiert je nach Anwendung, liegt jedoch im Allgemeinen in der Nähe von 96 Prozent.

Kühlturm-Kraftübertragung

Das Zahnradgetriebe reduziert die Hochgeschwindigkeitsleistung vom Motor auf die niedrigere Geschwindigkeit, die für den Lüfter erforderlich ist.

Das Zahnradgetriebe ist wartungsarm. Zum Beispiel erfordern einige Getriebe, die synthetisches Öl verwenden, fünf Jahre lang keinen Ölwechsel. Kühlturmbesitzer und Servicebetriebe sollten jedoch sorgfältig nach möglichen Lecks suchen.

Ein weiteres positives Merkmal des Getriebes ist, dass es direkt online mit Strom versorgt wird. Ein Frequenzumrichter (VFD) ist nicht erforderlich, kann jedoch zur zusätzlichen Steuerung der Motordrehzahl und zur Verbesserung des Energieverbrauchs mitgeliefert werden.

Riemenantriebe zeichnen sich durch niedrige Anschaffungskosten, aber höhere Betriebskosten aus

Riemenantriebe gibt es schon länger als Zahnräder. Sie werden verwendet, um Bewegungen von einer Welle auf eine andere zu übertragen. Dabei wird eine Schlaufe aus flexiblem Material verwendet, die über zwei Rollen (auch Riemenscheiben genannt) läuft, um die rotierenden Wellen zu verbinden.

Diese Technologie bietet eine reibungslose und effektive Kraftübertragung zwischen den Wellen, auch wenn diese einen erheblichen Abstand voneinander haben.

Kühlturm-Kraftübertragung

Riemenantriebe übertragen die Bewegung von einer Welle zur anderen mit Hilfe einer Schlaufe aus flexiblem Material.

Bei einer Kühlturmanwendung bestimmt die Größe der Seilscheiben die Geschwindigkeit. Riemen unterschiedlicher Größe sorgen für die erforderliche Geschwindigkeitsreduzierung. Die kleinste Scheibe ist mit dem Motor verbunden, während die größere Lüfterscheibe mit einer Lüfterwelle verbunden ist.

Das Verhältnis zwischen diesen Größen bestimmt die Geschwindigkeitsreduzierung. Riemen, die den Profil- und Längenanforderungen der Riemenscheiben entsprechen, übertragen Leistung.

Im Gegensatz zu Zahnrädern sind Riementriebe der heißen und feuchten Umgebung des Kühlturms ausgesetzt. Die Anschaffungskosten eines Riemenantriebs sind gering, aber die laufenden Wartungskosten steigen mit der Zeit. Scheiben und andere Komponenten korrodieren; Gürtel dehnen sich und verlieren an Spannung.

Ab einem Wirkungsgrad von etwa 95 Prozent können Riemenantriebe auf die niedrigen 90-Werte oder sogar auf einen niedrigeren Wert fallen, wenn sich die Riemen dehnen und abnutzen. Die Wartung umfasst den regelmäßigen Austausch des Riemens und die mehrmalige Schmierung der Lüfterwellenlager pro Jahr, was zu den höheren Betriebskosten für die Lebensdauer beiträgt.

Riemenantriebe werden häufig in Kühltürmen mit geringerem Leistungsbedarf eingesetzt. Wie ein Zahnradantrieb benötigt der Riemenantrieb kein VFD.

Direktantriebsmotoren haben geringe Wartungsanforderungen, aber die anfänglichen Kosten sind in der Regel viel höher als bei anderen Alternativen

Es gibt mehrere Direktantriebsoptionen, bei denen der Motor den Kühlturmlüfter direkt antreibt. Der Direktantriebsmotor bietet Zuverlässigkeit bei minimalem Wartungsaufwand.

Eine übliche Direktantriebsoption verwendet einen Permanentmagnetmotor. Dies ist eine Art Elektromotor mit im Rotor eingebauten Seltenerd-Permanentmagneten. Die Verwendung dieser Technologie hat in den letzten zehn Jahren zugenommen und ist mittlerweile weit verbreitet in Fahrzeugen, Drohnen, Computern und zahlreichen anderen Anwendungen, die leistungsstarke, aber relativ kompakte Motoren erfordern.

Der Permanentmagnetmotor treibt den Lüfter direkt an, wodurch eine Reihe von Komponenten wie Getriebe, Antriebswelle, Stehlager und Kupplungen entfallen. Dies macht die Ausrichtung der mechanischen Komponenten überflüssig, beschleunigt die Installation, senkt die Installationskosten und erhöht die Systemeffizienz.

Ein Nachteil der Permanentmagnetoption sind die Anschaffungskosten - ein Direktantrieb mit einem Permanentmagnetmotor ist häufig der teuerste aller Kraftübertragungsoptionen.

Für die Drehmomentanforderungen von Kühlturmanwendungen werden Permanentmagnetmotoren schwerer und höher als Standard-Induktionsmotoren, da der Getriebeantrieb entfällt.

Permanentmagnetmotoren benötigen zum Betrieb einen Frequenzumrichter. Der VFD ist ein zusätzlicher Anschaffungswert, mit dem der Bediener die Geschwindigkeit kontrollieren und Energie sparen kann.

Kühlturm-Kraftübertragung

Der Permanentmagnetmotor treibt den Lüfter direkt an und erzeugt ein Magnetfeld

Die Gewährleistung eines sicheren Betriebs ist ein potenzielles Problem. Bei anderen Kraftübertragungsoptionen ist der Motor stromlos, wenn er nicht angeschlossen ist. Dies macht ihn wartungssicher.

Der Permanentmagnetmotor kann auch bei abgeschalteter Stromversorgung Strom erzeugen und möglicherweise eine gefährliche Situation verursachen. Wenn zum Beispiel der Wind den Lüfter und die Lüfterwelle dreht, kann Strom dorthin fließen, wo ein Techniker an den Geräten arbeitet.

Ein weiteres Sicherheitsrisiko ist das erzeugte Magnetfeld, das sich auf Personen auswirken kann, die einen Herzschrittmacher tragen und in der Nähe des Motors arbeiten.

Ein Direktantrieb hat in der Regel die niedrigsten Wartungskosten während seiner gesamten Lebensdauer, da das Öl nicht ausgetauscht werden muss, keine verschleißbaren Öldichtungen vorhanden sind und keine routinemäßige Ausrichtung erforderlich ist.

Jährliche Schmierung wird empfohlen. Die Anschaffungskosten können zwei- bis dreimal so hoch sein wie bei einem Getriebe. Aufgrund der hohen Anschaffungskosten kann sich die Amortisation auf zehn oder mehr Jahre erstrecken.

Kühlturm-Kraftübertragung

Elektronisch kommutierter Motor kombiniert Motor, Regler und Lüfter

Der elektronisch kommutierte Motor mit hohem Wirkungsgrad (EC) ist eine neuere Technologie, die einen kleinen Gleichstrommotor und einen Umrichter / Drehzahlregler in einem Paket kombiniert.

Der Rotorteil des Motors verwendet normalerweise Seltenerd-Permanentmagnete, und die integrierte Drehzahlregelung macht einen externen Frequenzumrichter überflüssig. Bei Kühlturmanwendungen werden häufig Lüfter, Lüfterhaube und Lüfterhaube integriert, um ein vollständiges mechanisches Antriebspaket bereitzustellen.

Dies ergibt eine einfache und kompakte Anordnung, die leicht im Werk installiert und bei Bedarf vor Ort ausgetauscht werden kann.

Kühltürme mit EC-Motoren haben in der Regel eine geringere Kapazität und Stellfläche bei einer maximalen Anwendungsgröße von 10 PS oder einem Lüfterdurchmesser von einem Meter. Im Vergleich zu Riemenantrieben und anderen Motoren mit geringer Leistung (weniger als 5 PS) sind EC-Motoren durchweg effizienter.

In Anwendungen mit kleinen PS weist der EC-Motor keine Leistungsverluste auf, während bei anderen Motoren und Riemenantrieben mit geringen PS Leistungsverluste von 5-20 Prozent auftreten können.

Da EC-Motoren abgedichtete Lager verwenden, gibt es praktisch keine Wartung. Die Verwendung dieser Technologie für Kühltürme ist neu und eignet sich derzeit nur für kleine Lüfterdurchmesser mit niedriger Leistung.

Tabelle 1 bietet einen Gesamtvergleich der verfügbaren Energieübertragungstechnologien. Riemenantriebe haben niedrige Anfangskosten, aber hohe Betriebskosten. Direktantriebe haben hohe Anschaffungskosten bei geringeren Betriebskosten. Zahnradantriebe fallen normalerweise irgendwo dazwischen. EC-Motoren bieten niedrige Betriebskosten, aber Größen und Anwendungen sind eingeschränkter.

Kühlturm-Kraftübertragung

Die Wahl der richtigen Option ist ein Spagat

Bei der Auswahl der Antriebstechnologien müssen Kühlturmanbieter, Bauunternehmer und Eigentümer die Kosten über den gesamten Lebenszyklus des Kühlturms bewerten.

Faktoren wie Energieeffizienz, Wartungsfreundlichkeit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer müssen gegen Anfangsinvestitionen, Installationskosten, Komplexität des Betriebs und Umweltauswirkungen abgewogen werden.

Referenzen

Ein Blick auf Riemen-, Ketten- und Zahnradantriebstechnik, Antriebstechnik, https://www.powertransmission.com/blog/a-look-at-belt-chain-and-gear-drive-technology/, ergab 5 / 17 / 18

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