Weniger ist mehr: Kühlsystemdesign für moderne Schwermaschinen neu denken

Die Bilder links und rechts veranschaulichen den sichtbaren Unterschied, den ein selbstreinigender Cleanfix-Lüfter bei Kühlpaketen bewirken kann.

Dieser Wandel ist auf eine einfache Tatsache zurückzuführen: Die thermischen Belastungen steigen, der Platz im Motorraum jedoch nicht. Gleichzeitig stehen die Ingenieure unter Druck, Gewicht zu reduzieren, die Systemarchitektur zu vereinfachen, Geräusche zu minimieren und die Betriebskosten über die gesamte Lebensdauer zu senken.

Michael Hogan, Key Accounts Manager beim Hersteller von reversiblen Lüftern Cleanfix, sagt, dass die Kühlung sich von einer zweitrangigen Überlegung zu einem der Ausgangspunkte bei der Maschinenkonstruktion entwickelt hat.

„Bei Off-Highway-Geräten gibt es nur begrenzte Möglichkeiten, die Effizienz durch Aerodynamik oder andere externe Faktoren zu steigern“, sagt er und fügt hinzu: „Die Kühlung ist einer der wichtigsten Faktoren, an denen man arbeiten kann, um die Effizienz zu verbessern.“

Cleanfix-Lüfter ermöglichen es OEMs, den bereits vorhandenen Motorlüfterantrieb zu verwenden, um die Komplexität der Motorkühlung insgesamt zu reduzieren.

Wie gelingt es OEMs also, die Nachfrage nach höherer Leistung mit den oft sehr engen Verpackungsvorgaben in Einklang zu bringen?

Leistung, Verpackung und Geräuschentwicklung

Hogan ist der Ansicht, dass die Antwort darin liegt, zu überdenken, wie ein gutes Kühlkonzept aussehen sollte, und verweist auf die verschiedenen Herausforderungen, denen sich die OEMs jetzt gegenübersehen, darunter strengere Emissionsanforderungen, Platzbedarf und ein zunehmendes Augenmerk auf Geräusche.

„Im Grunde wollen die Kunden das Komplettpaket“, sagt Hogan. „Sie suchen Effizienz. Sie wollen eine kleinere Baugröße. Sie wollen die Möglichkeit zum Rückwärtsfahren, und das alles unter Berücksichtigung anderer Komponenten. Außerdem erwarten sie zusätzliche Vorteile wie beispielsweise eine Geräuschreduzierung.“

Lee Armstrong, Leiter der Anwendungsentwicklung bei Cleanfix, stimmt dem zu und sagt: „Wir beobachten das zunehmend im Bereich der Anwendungsentwicklung – Kunden erkundigen sich nach der Geräuschbewertung und ob wir diese verbessern können.“

Für die Ingenieure bedeutet das, Änderungen des Schaufelblattwinkels, niedrigere Lüfterdrehzahlen und andere Designverbesserungen zu testen, die die Geräuschentwicklung reduzieren, ohne die Kühlleistung zu beeinträchtigen.

Dies stellt insbesondere für kleinere und mittelständische OEMs eine große Herausforderung dar, deren Entwicklungsteams möglicherweise auf mehrere Systeme verteilt sind, anstatt sich auf Kühlung zu spezialisieren.

Michael Hogan, Lead Key Accounts Manager bei Cleanfix

Wie Hogan feststellt, werden viele dieser Teams außerhalb ihrer Kernkompetenzen arbeiten. „Ihnen fehlt es manchmal an Erfahrung, aber fast immer an Zeit, obwohl sie verstehen, wie wichtig Kühlung für Effizienz und Leistung sein kann.“

Warum weniger mehr sein kann

Armstrong hält es für wichtig, die Annahme in Frage zu stellen, dass bessere Kühlung automatisch zu einer höheren Systemkomplexität führt.

Er sagt, einige OEMs seien auf hydraulisch angetriebene Lüfter umgestiegen, um den Platzbedarf zu reduzieren, die Lüfterdrehzahl zu steuern oder eine Umkehrung zu ermöglichen, aber er glaubt, dass es einen einfacheren Weg gibt.

„Wir möchten sie wieder zu einem konventionelleren Riemenantriebssystem bewegen, da es wesentlich einfacher ist“, sagt er. „Anstatt einen weiteren Hydraulikkreislauf hinzuzufügen, können OEMs den bereits vorhandenen Motorantrieb nutzen und die Effizienz durch die aktive Anpassung des Schaufelwinkels mithilfe unserer Verstelltechnologie steigern.“

Auf diese Weise kann eine intelligentere Luftstromsteuerung die gleichen funktionalen Vorteile wie eine variable Drehzahl bieten, jedoch mit weniger Bauteilen und geringerer Systemkomplexität.

„Alles ist in einem einzigen Lüftersystem untergebracht, anstatt eines zusätzlichen Hydrauliksystems“, sagt Armstrong.

Intelligenterer Luftstrom

Auf die Frage, ob es bei der Kühlung heutzutage weniger um die Größe und mehr um die Effizienz gehe, antwortet Armstrong: „Beides ist wichtig, aber intelligentes Design eröffnet mehr Möglichkeiten auf kleinerem Raum.“

„Der Schaufelwinkel, die Schaufelspitzenform und die Geometrie der Verkleidung beeinflussen den Luftstrom. Wechselt man von einer einfachen Kastenverkleidung zu einer Glockenverkleidung, verbessert sich der Luftstrom deutlich.“

Das Cleanfix-System mit variabler Blattverstellung steigert die Effizienz durch die aktive Anpassung des Blattwinkels. Da dies vollständig im Ventilator integriert ist, wird die Gesamtkomplexität des Systems reduziert.

Hogan fügt hinzu: „Die Leute wollen nicht das größte Kühlsystem im Viertel haben. Sie wollen einfach nur ein Kühlsystem, das so groß ist, wie sie es brauchen.“

„Ziel ist es, die Dimensionierung auf ausreichende Kühlleistung auszurichten und innerhalb dieser Rahmenbedingungen Effizienz und Verpackung zu optimieren.“

Ein wesentlicher Bestandteil dieser Effizienzgeschichte ist die Sauberhaltung des Kühlers.

Armstrong erklärt den Zusammenhang zwischen verstopften Heizkörpern und schlechter Leistung so: „Wenn sich ein Haufen Schmutz auf dem Heizkörper befindet, ist das, als würde man eine wärmeisolierende Decke darüberlegen. Der Schmutz blockiert nicht nur den Wärmeaustausch an den Lamellen, sondern behindert auch den Luftstrom durch den Heizkörperkern.“

Hogan beschreibt den „Doppeleffekt“ weiter und sagt: „Ablagerungen bedecken die leitfähigen Oberflächen, die eigentlich Wärme abführen sollen. Mit zunehmender Ablagerung verringert sich dann der Luftstrom. Sobald sich Schmutz dort befindet, wirkt sich das negativ auf die Kühlleistung aus.“

Die Bediener bemerken dies möglicherweise erst, wenn eine Überhitzung einsetzt, aber schon lange vorher arbeitet der Lüfter härter und verbraucht mehr Energie, um dies auszugleichen.

Automatisierung für effiziente Systeme

Laut Hogan ist dies der Grund, warum automatische Reinigungszyklen so wichtig sind. Anstatt darauf angewiesen zu sein, dass die Bediener auf steigende Temperaturen warten oder den Betrieb für eine manuelle Reinigung unterbrechen, sorgen zeitgesteuerte Umkehrzyklen für eine gleichmäßigere Leistung.

Armstrong erklärt, dass Cleanfix die Timer üblicherweise auf 30-Minuten-Intervalle als Ausgangspunkt einstellt, diese können jedoch an die jeweilige Anwendung angepasst werden.

„Der Kunde kann es an seine Bedürfnisse anpassen“, sagt er, wobei die Intervalle bei Arbeiten in besonders staubigen Umgebungen bis auf fünf Minuten sinken können.

Lee Armstrong, Leiter der Anwendungsentwicklung bei Cleanfix

Das Ergebnis ist nicht nur ein geringeres Überhitzungsrisiko, sondern auch weniger Ausfallzeiten und weniger manuelle Eingriffe. In manchen Anwendungsfällen, so Armstrong, müssten die Bediener andernfalls mehrmals täglich anhalten, um die Kühler mit Druckluft zu reinigen.

Automatische Reinigung kann diese Unterbrechungen beseitigen. Hogan fügt hinzu, dass selbst bei weniger anspruchsvollen Anwendungen, bei denen eine manuelle Reinigung möglicherweise nur alle paar Tage erforderlich ist, „die planmäßige Reinigung den Kraftstoffverbrauch reduziert und dem Bediener eine weitere Wartungsaufgabe abnimmt“.

Hinwendung zur Leistung

Er fügt hinzu, dass ein Ventilator mit verstellbaren Flügelblättern eine weitere Steuerungsebene bietet, wodurch „das System unter realen Bedingungen arbeiten kann, im Gegensatz zu dem, was als Worst-Case-Szenario theoretisch entworfen und berechnet wurde.“

Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die Konstruktionsreserven. Herkömmliche Kühlsysteme wurden oft mit großzügigen Sicherheitsreserven ausgelegt, um die Zuverlässigkeit unter extremen Bedingungen zu gewährleisten. Dies kann jedoch im Normalbetrieb unnötigerweise den Leistungsbedarf der Lüfter, die Geräuschentwicklung, den Riemenverschleiß und die Kosten erhöhen.

Hogan erklärt, dass bei variabler Steigung „die Maschinen immer noch über maximale Kühlung verfügen, wenn sie diese benötigen, aber das wird möglicherweise nicht so oft vorkommen.“

Armstrong argumentiert außerdem, dass blattschwenkbare Konstruktionen Vorteile gegenüber herkömmlichen reversiblen Systemen bieten.

Herkömmliche Umkehrlüfter verlangsamen sich normalerweise und kehren dann die Drehrichtung um. Dies kann zu einem vorübergehenden Kühlverlust führen und die Reinigungswirkung beeinträchtigen.

Bei einem schwenkbaren Schaufelblattverfahren wird die Luftströmung durch Änderung der Schaufelblattausrichtung umgekehrt.

Die automatische Kühlaggregatreinigung von Cleanfix trägt zu einer gleichbleibenden Leistung bei und verhindert Geräteausfälle aufgrund von Reinigung und Überhitzung.

„Wenn man die Klingen umdreht, anstatt die Drehrichtung zu ändern“, sagt Armstrong, „erreicht man einen stärkeren Reinigungsstrahl und einen kontinuierlichen Luftstrom während des Rücklaufs.“

Warum eine frühzeitige Zusammenarbeit wichtig ist

Für OEMs unterstreicht all dies den Wert einer frühzeitigen Zusammenarbeit mit Kühlungsspezialisten.

Hogan sagt, dass die frühzeitige Einbindung von Cleanfix den Ingenieuren hilft, die verfügbaren Optionen zu verstehen, bevor sie sich für komplexere Lösungen entscheiden.

Armstrong stimmt dem zu und sagt, dass ein frühzeitiges Einrasten bei einem schwenkbaren Lüfterblattdesign besonders wichtig sei, da der Lüfter genügend Platz benötige, um sich vollständig bewegen zu können.

Eine wichtige Erkenntnis ist, dass die Motorkühlung einen erheblichen Teil der Maschinenleistung verbraucht, obwohl sie keine produktive Arbeit verrichtet.

Wie Hogan es ausdrückt, handelt es sich dabei um „verschwendete Energie zur Bewältigung von Abwärme. Aber sie ist natürlich dennoch unerlässlich – je weniger man davon benötigt, desto besser.“

Bei modernen Baumaschinen geht es bei besserer Kühlung letztendlich nicht mehr darum, mehr Lüfter oder größere Kühler einzubauen. Vielmehr geht es darum, den Luftstrom intelligenter zu nutzen, Wärmetauscher sauberer zu halten und Systeme zu entwickeln, die auf die tatsächlichen Betriebsbedingungen reagieren, anstatt auf permanente Leistungsspitzen.

In diesem Sinne kann weniger durchaus mehr sein: weniger Komplexität, weniger Wartungsaufwand, weniger Energieverschwendung – und mehr Leistung dort, wo es darauf ankommt.

Cleanfix-Lüfter verfügen über die Power-Pulse-Technologie, die es den Lüfterblättern ermöglicht, ihre Blattneigung bei voller Drehzahl umzukehren, um einen kraftvollen Reinigungsstoß zu erzeugen, der Ablagerungen vom Kühlpaket entfernt, ohne den Betrieb zu unterbrechen.

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Dieser Artikel wurde von KHL Content Studio in Zusammenarbeit mit Experten von Cleanfix erstellt.

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Alle Bilder mit freundlicher Genehmigung von Cleanfix

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