Altsandkühlung

Kühlung des Umlaufformstoffes (Altsandes) im Zuge der Sandaufbereitung.

Maßnahmen zur Sandkühlung sind vor allem bei hoher Formauslastung und höheren Umlaufzahlen erforderlich. Nach dem Auspacken hat der Altsand Temperaturen von bis zu 200 °C, womit er für eine Weiterverarbeitung ungeeignet ist. Angestrebte Formsandtemperaturen liegen bei < 40 °C. Liegen die Temperaturen darüber, treten eine Reihe nachteiliger Effekte wie unkontrollierbare Verdunstung und somit Austrocknung, Kondensation sowohl an den kühleren Kernen als auch in der Form auf.

Warme Sande verlangsamen auch die Wasseraufnahme durch den Bindeton auf den Hüllenschichten der Sandkörper, bewirken erhöhte Verdampfungsverluste zwischen Aufbereitung und Formplatz, verursachen Klebeneigung auf den Modellen und führen wegen ihrer Instabilität zu formstoffbedingten Gussfehlern. Das Risiko von Ausschuss erhöht sich, so dass eine Altsandkühlung aus wirtschaftlichen Gründen notwendig wird.

Die Kühlung des noch heißen Altsandes lässt sich am besten nach dem Verdunstungsprinzip verwirklichen. Durch Einsprühen von Wasser und durch gute Durchlüftung kann ein großer Teil der mitgeführten Wärme abgeführt werden. Die Verdunstung von 1 % Wasser bringt etwa eine Abkühlung um 27 K. Eine Kühlung des Formstoffes allein durch Kühlluft bringt geringere Effekte, da seine Wärmeaufnahmekapazität gering ist. Die Kühlluft dient vorwiegend als Transportmedium für den Wasserdampf.

Die Bestimmung der erforderlichen zu verdunstenden Wasser- und Luftmenge läßt sich über drei Rechenschritte einer kombinierten Energie-Wasser-Bilanz formalisieren und kann in einem Diagramm dargestellt werden.

Im ersten Schritt wird über die Energiebilanz festgestellt, im welchen Umfang Wärmeenergie abzuführen ist. Aus dieser Angabe lässt sich im zweiten Schritt der Wasserbedarf für die Verdunstung bestimmen. Der dritte Schritt benennt den Luftbedarf, um die verdunstete Wassermenge abführen zu können.

1. Schritt, die Energiebilanz
Eine einfache lineare Gleichung (Glg. 1)berücksichtigt proportional die Menge M [kg], die Temperaturdifferenz ΔT [K] und die Materialeigenschaft, dargestellt durch die spezifische Wärmekapazität c. So ergibt sich

Glg. 1:
Q = M cdot Delta cdot c

So ist beispielsweise für einen Altsanddurchsatz von 80 t/h und einer Abkühlung von 100 °C auf 40 °C (ΔT = 60 K) sowie bei einer spezifischen Wärmekapazität von Quarzsanden mit c= 0,84 kJ / kgK eine Wärmeenergie von Q = 4,03 GJ abzuführen.

2. Schritt, der Wasserbedarf für die Verdunstungskühlung

Der Energiebedarf für die Verdunstung von einem Liter Wasser bei 15 °C beträgt 2.613 kJ, woraus sich nach dem einfachen Dreisatz nunmehr ein Wasserbedarf von 1.543 Liter ergibt. Als Faustformel wird für die Abkühlung um 30 K ein Wasserbedarf von 1 % erforderlich. Übertragen auf das obige Beispiel sind es dann 1.600 Liter.

3. Schritt, der Luftbedarf für den Abtransport des verdunsteten Kühlwassers
Für die Verdunstung ist Luft erforderlich, wobei dieser Vorgang nicht mit der Verdampfung zu verwechseln ist, wenn Wasser die Siedetemperatur überschritten hat. Die Bestimmung des Luftbedarfs ist temperaturabhängig. Mit steigender Temperatur erhöht sich nichtlinear das Wasseraufnahmevermögen der Luft.

Waren bislang die rechnerischen Ansätze von physikalischen Gesetzmäßigkeiten geprägt, die für jedes Kühlverfahren Gültigkeit haben, so ist eine Berechnung vorab, welche Temperatur die Abluft einnehmen muss, nicht möglich. Das Erreichen der Abluft- und Sandaustragstemperaturen ist ausschließlich durch den konstruktiven Aufbau des Kühlers geprägt. Beispielsweise werden daher die Berechnungen für drei Ablufttemperaturen 40 °C, 45 °C und 50 °C vorgenommen und in einem Diagramm (Bild 1, datec Dosier- und Automationstechnik GmbH) dargestellt, indem in jedem Quadranten über eine lineare Beziehung die Berechnung graphisch umgesetzt wurde.

Im Quadranten links oben ind Bild 1(datec Dosier- und Automationstechnik GmbH) sind drei Temperaturgeraden aufgetragen, die die Abkühlung darstellen. Sie unterscheiden sich durch die zu erreichenden Abkühltemperaturen 40 °C, 45 °C und 50 °C. Der einzutragende Arbeitspunkt ist dann die Eingangstemperatur. In Anlehnung daran wird die Gerade gewählt, die bei 40 °C als Austragstemperatur endet und bei einer Eingangstemperatur von 100 °C startet. In dem Kühlerdiagramm sind das die Punkte 1 und 2.

Im zweiten Quadranten sind Geraden verschiedener Durchsatzmengen eingetragen. Sie werden mit der waagerechten Geraden zum Schnitt gebracht, wobei der Schnittpunkt auf der y-Achse das Ergebnis für den Bedarf der Abkühlfeuchte ist. Diese Gerade endet in der gewählten Sandmenge (Punkt 3).

Im dritten Quadranten sind die Verdunstungsgeraden für die Ablufttemperaturen 40 °C, 45 °C und 50 °C aufgetragen. Über die senkrecht fallende Gerade, die die x-Achse an dem Punkt A schneidet, der den Wasserbedarf für die Verdunstung angibt, werden die drei Verdunstungsgeraden geschnitten. Über die y-Achse läßt sich dann im Punkt B der Luftbedarf ermitteln.

Bei diesem Verfahren sei der Hinweis angebracht, dass über das Kühlerdiagramm auf der Basis einer Energie-Wasser-Bilanz keine Aussage gefunden wird, wie gut der Kühler arbeitet. Die Angabe ist hinreichend genau, um die zu verdunstende Wassermenge zu bestimmen. Sie sagt nichts aus, bei welcher Temperatur und mit welcher Luftmenge diese Wassermenge abtransportiert wird. Die drei Temperaturangaben für die Ablufttemperatur sind Erfahrungswerte aus einer Reihe von Altsandkühlern.

Nach heutigem Erkenntnisstand wird die Effektivität eines Kühlers zusätzlich über das Volumen, die Verweilzeit des zu kühlenden Altsandes und die Umgebungstemperatur zur möglichen Wärmeabgabe beeinflusst.

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