Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 05/2018, 08.05.2018

Wirtschaftliche Vakuumtechik in der Lebensmittelverpackung

Vakuumtechnik wird in zahlreichen Prozessen der industriellen Lebensmittelverarbeitung und -verpackung genutzt. Ihre Energieeffizienz hat dementsprechend Auswirkungen auf die gesamte Energiebilanz der Betriebe. Worauf gilt es also zu achten?

Autor: Uli Merkle, Leiter Marketing Services Busch Dienste GmbH

Kosten minimieren und gleichzeitig so umweltschonend wie möglich arbeiten – das sind heute Grundanforderungen an jeden Produktionsbetrieb. Der Energieverbrauch spielt für die ökonomisch-ökologische Bilanz immer eine zentrale Rolle. Besonders wenn eine Zertifizierung des Energiemanagements nach ISO 50001 angestrebt oder gefordert wird. Je effizienter man die eingesetzte Energie nutzt, desto eher sind die genannten Grundforderungen erfüllt. Vakuumtechnik wird mit steigender Tendenz in zahlreichen Prozessen der industriellen Lebensmittelverarbeitung und -verpackung genutzt. Ihre Energieeffizienz hat dementsprechend Auswirkungen auf die gesamte Energiebilanz der Betriebe.

Ein effizientes Energiemanagement umfasst Planung und Betrieb der Anlage. Bei Vakuumanwendungen müssen sowohl die erzeugende als auch die verbrauchende Seite in den Blick genommen werden. Die Technik der Maschinen bietet vielfältige Möglichkeiten, Ressourcen und Kosten zu sparen sowie zum Schutz des Klimas beizutragen. Dabei darf man den Blick nicht auf den Energieverbrauch der einzelnen Maschinen verengen. Erst eine ganzheitliche Betrachtung der zahlreichen Faktoren, welche die Gesamteffizienz beeinflussen, fördert mögliche Synergien zutage. Zu diesen Faktoren gehören:

  • Planungs- und Installationsaufwand
  • Lebensdauer
  • Verfügbarkeit
  • Bedienungs- und Schulungsaufwand
  • Unterstützung durch Hersteller/Lieferanten
  • Erweiterbarkeit
  • Wartungsaufwand einschliesslich Ausfallzeit
  • Betriebsmittel
  • Entsorgung

Aus der Summe dieser Faktoren ergeben sich die Lebenszykluskosten (Cost of ownership).

Vakuumerzeugung

Im Allgemeinen versteht man unter «Vakuum» einen Unterdruck, der niedriger als der herrschende atmosphärische Druck ist (siehe Bild links unten). Bei der Bezeichnung der unterschiedlichen Unterdruckniveaus kann eine paradoxe Eigentümlichkeit der Fachsprachen den Laien irritieren: je niedriger der Druck, desto höher das Vakuum. Es gibt drei grundlegende Parameter für die Auswahl einer Vakuumpumpe. Sie gelten natürlich auch für die Beurteilung einer bestehenden Anlage:

  • Enddruck [mbar]
  • Saugvermögen [m³/h]
  • Nennleistung des Motors [kW]

Enddruck [mbar]

Der Enddruck ist der niedrigste Druck beziehungsweise das höchste Vakuumniveau, den die Vakuumpumpe erreichen kann. Bei Erreichen des Enddrucks sinkt das Saugvermögen auf Null (siehe Bild rechts). Der Enddruck wird, wie alle anderen Drücke im Vakuumbereich, in Millibar [mbar] angegeben. Die Einheiten Pascal [Pa] oder Hektopascal [hPa] des internationalen Einheitssystems SI haben sich bisher in den meisten Industrieprozessen nicht durchgesetzt (1 mbar = 1 hPa).

Saugvermögen [m³/h]

Das Nennsaugvermögen einer Vakuumpumpe gibt an, wie viel Luft oder Gas sie in einer bestimmten Zeit bei Atmosphärendruck absaugen kann. Kubikmeter pro Stunde [m³/h] ist die übliche Einheit dafür. Mit abnehmendem Druck sinkt auch das tatsächliche Saugvermögen (siehe Bild oben). Der Druckverlauf wird mit der sogenannten Saugvermögenskurve dargestellt. Sie zeigt das tatsächliche Saugvermögen in allen Druckbereichen zwischen Atmosphärendruck und Enddruck an. Im gezeigten Beispiel einer Saugvermögenskurve erreicht die Vakuumpumpe bei einem angenommenen Unterdruck in der Verpackung von 5 mbar nur noch circa 75 Prozent des ursprünglichen Saugvermögens.

Der Verlauf dieser Kurve hat auch Einfluss auf die Evakuierungszeit und damit beispielsweise auf die Dauer des Verpackungszyklus bei der Vakuumverpackung. Deshalb ist bei der Auslegung der Vakuumpumpe genau zu ermitteln, welche Baugrösse sinnvoll eingesetzt wird. Dadurch wird beim Verpacken in einer bestimmten Kammergrösse und einer vorgegebenen Taktzeit der gewünschte Unterdruck möglichst effizient in der Verpackung erzielt. Mehr dazu unter «Auslegung der Vakuumversorgung».

Motornennleistung [kW]

Die Motornennleistung beziffert die Leistung in Kilowatt [kW], die bei Nennspannung und Nennstrom an der Motorwelle abgegeben wird. Die Motornennleistung ist ein Maximalwert, der in der Praxis nicht immer abgerufen wird. Die tatsächlich aufgenommene elektrische Energie errechnet sich aus der real abgegebenen Wellenleistung und dem Wirkungsgrad des Motors.

Bei einigen Motor- beziehungsweise Vakuumpumpenherstellern wird die Motornennleistung in Verbindung mit dem sogenannten Service Factor (S.F.) angegeben. Die tatsächliche maximale Motorleistung ergibt sich aus der Multiplikation der Motornennleistung mit dem Servicefaktor. Sie liegt dementsprechend höher, als der kW-Wert allein suggeriert. Der Service Factor (S.F.) wurde von der US-amerikanischen National Electrical Manufacturers Association (NEMA) im Handbuch NEMA MG1-2011 als Standard definiert. Er wird auf dem Typenschild als Multiplikator angegeben und beschreibt, bis zu welchem Grad ein Motor über die Nennleistung hinaus belastet werden kann. Dafür multipliziert man die Nennleistung mit dem S.F.-Wert. Eine Nennleistung von 15,0 kW und ein S.F. von 1,25 ergibt die maximal zulässige Nennleistung 15 × 1,25 = 18,75 kW. Die tatsächliche maximale Nennleistung liegt also um 25 Prozent höher als unter dem Wert «Nennleistung» zu erkennen ist.

Auslegung der Vakuumversorgung

Üblicherweise werden die Vakuumpumpen vom Hersteller der Verpackungsmaschine ausgelegt, der hierfür entsprechende Erfahrungswerte heranzieht. Ihre Leistung orientiert sich dabei an der grösstmöglichen Verpackungskapazität in Bezug auf Produktmenge, Kammervolumen und Taktzeiten der Maschine. Das wiederum bedeutet, dass bei nicht hundertprozentig genutzter Verpackungskapazität die Vakuumpumpe überdimensioniert ist und dementsprechend unnötige Energie verbraucht.

Grundsätzlich ist es möglich und oft sinnvoll, nicht nur eine einzelne Vakuumpumpe, die auf das maximal erforderliche Saugvermögen ausgelegt ist, zu installieren. Oft werden auf derselben Verpackungsmaschine zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Produkte verpackt. Grösse und Verpackungsvolumen sowie Taktzeit können erheblich variieren. In solchen Fällen lohnt es sich oft, zwei oder drei kleinere Vakuumpumpen parallel zu schalten. Die Pumpen lassen sich so steuern, dass immer nur die in Betrieb sind, welche für die Bereitstellung des jeweils erforderlichen Saugvermögens gebraucht werden. Um die Taktzeit zu verkürzen, kann auch ein mehrstufiges Vakuumsystem wesentlich effizienter als eine einzelne grösser dimensionierte Vakuumpumpe sein.

Eine weitere höchst effiziente Möglichkeit der Vakuumerzeugung ist die Kombination einer Drehschieber-Vakuumpumpe mit einer Wälzkolben-Vakuumpumpe, die als Vakuumbooster arbeitet.

Ein Vakuumbooster erhöht die Leistung der Drehschieber-Vakuumpumpe deutlich. Die richtige Kombination aus Drehschieber-Vakuumpumpe (Vorpumpe) und Vakuumbooster ermöglicht ein hohes Saugvermögen, das sonst nur mit einer deutlich grösseren einzelnen Vakuumpumpe – mit dementsprechend höherem Energieaufwand – erreicht werden könnte (siehe Bild oben). Das Ergebnis sind verkürzte Taktzeiten und erhebliche Energieeinsparungen.

Resümee

Bei der Auswahl der Vakuumpumpe sollten die Angaben zum Energieverbrauch genau betrachtet werden. Ausserdem muss die Baugrösse der Vakuumpumpe dem tatsächlichen Bedarf angepasst sein. Bei unterschiedlichen Verpackungskapazitäten sind alternativ mögliche Pumpenkombinationen in Betracht zu ziehen. Generell ist es sinnvoll einen Vakuumspezialisten zu Rate zu ziehen, der über die notwendige Erfahrung im Bereich der Vakuumverpackung verfügt und der auf ein umfangreiches Produktportfolio an unterschiedlichen Vakuumerzeugern zurückgreifen kann.

Busch AG
www.busch.ch



Das erhöht die Leistung: Vakuumsystem mit einer Kombination einer Drehschieber-Vakuumpumpe als Vorpumpe und einem Vakuumbooster. (Bilder: zvg)


Druck-/Vakuumbereiche


Typische Saugvermögenskurve einer Vakuumpumpe, die den Zusammenhang zwischen Saugvermögen und Druckniveau zeigt. Links ist der Enddruck von 1 mbar zu erkennen, rechts stehen 1000 mbar als Atmosphärendruck.


Saugvermögenskurve eines Vakuumsystems mit Drehschieber-Vakuumpumpe und Vakuum-Booster. Hier ist der Anstieg des Saugvermögens zu erkennen.

Teil 2 in der LT 6/18

Der zweite Teil von «Wirtschaftliche Vakuumtechnik in der Lebensmittelverpackung» wird in der LT 6/18 erscheinen und beschäftigt sich mit weiteren Energieeinsparpotentialen bei der Vakuumversorgung.