Ein Werkzeug kann ein perfektes Temperiergerät haben und trotzdem schlecht kühlen. Der Grund liegt meist im Durchfluss: Kreisläufe mit zu wenig Wasser, schlecht verteilt oder mit laminarer Strömung. Der Kühlwasserdurchfluss im Werkzeug ist die Größe, die am häufigsten als gegeben angenommen und am seltensten gemessen wird. Dieser Leitfaden erklärt, wie man den Mindestdurchfluss je Kreislauf berechnet, wie man die Temperaturdifferenz prüft und wie man im Betrieb misst.
Zwei Kriterien, die gleichzeitig erfüllt sein müssen
Der Durchfluss jedes Kreislaufs muss zwei Bedingungen erfüllen:
- Turbulente Strömung, damit das Wasser der Kanalwand Wärme entzieht.
- Kleine Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Austritt, damit das Werkzeug entlang des ganzen Kreislaufs dieselbe Temperatur hat.
Der richtige Durchfluss ist der größere der beiden Werte. Fast immer ist das zweite Kriterium maßgebend, aber das erste wird bei engen Kanälen vergessen.
Turbulente Strömung und Reynolds-Zahl
Bei laminarer Strömung bewegt sich das Wasser in Schichten, und die Schicht an der Wand wird kaum erneuert: Sie überträgt wenig Wärme. Bei turbulenter Strömung vermischt es sich, und der Wärmeübergang vervielfacht sich. Das zeigt die Reynolds-Zahl:
Re = v · D / ν
- v: Strömungsgeschwindigkeit des Wassers (m/s).
- D: Kanaldurchmesser (m).
- ν: kinematische Viskosität des Wassers (m²/s). Etwa 1,0 × 10⁻⁶ bei 20 °C, 0,66 × 10⁻⁶ bei 40 °C und 0,36 × 10⁻⁶ bei 80 °C.
Unter 2.300 ist die Strömung laminar, zwischen 2.300 und etwa 4.000 im Übergangsbereich. Für die Werkzeugkühlung empfiehlt sich Re von 10.000 oder mehr, also eine deutlich turbulente Strömung.
Beispiel: 10-mm-Kanal mit Wasser bei 40 °C
Für Re = 10.000: v = Re · ν / D = 10.000 × 0,66 × 10⁻⁶ / 0,010 = 0,66 m/s. Der Querschnitt eines 10-mm-Kanals beträgt 7,85 × 10⁻⁵ m², der Mindestdurchfluss also 0,66 × 7,85 × 10⁻⁵ = 5,2 × 10⁻⁵ m³/s, etwa 3,1 l/min.
Die Tabelle zeigt den Mindestdurchfluss je Kreislauf für Re = 10.000 nach Durchmesser und Wassertemperatur:
| Kanaldurchmesser | Wasser bei 20 °C | Wasser bei 40 °C | Wasser bei 80 °C |
|---|---|---|---|
| 6 mm | 2,8 l/min | 1,9 l/min | 1,0 l/min |
| 8 mm | 3,8 l/min | 2,5 l/min | 1,4 l/min |
| 10 mm | 4,7 l/min | 3,1 l/min | 1,7 l/min |
| 12 mm | 5,7 l/min | 3,7 l/min | 2,0 l/min |
| 14 mm | 6,6 l/min | 4,4 l/min | 2,4 l/min |
Zwei praktische Schlüsse: Kaltes Wasser braucht mehr Durchfluss, um turbulent zu sein, und Öl, das viel zähflüssiger ist, noch mehr. Rechnen Sie bei Ölkreisläufen mit der Viskosität des Öls bei Arbeitstemperatur.
Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Austritt
Das zweite Kriterium ergibt sich aus der Wärmebilanz: Q = m · cp · ΔT. Damit das Werkzeug gleichmäßig temperiert ist, sollte die Differenz zwischen Ein- und Austritt jedes Kreislaufs 2–3 °C nicht überschreiten; bei technischen oder Präzisionsteilen besser 1–2 °C.
Beispiel: ein Werkzeug, das 6 kW abführen muss (etwa 36 kg/h PP), mit vier gleichen Kreisläufen. Jeder Kreislauf führt 1,5 kW ab. Bei ΔT = 2 °C: m = 1,5 / (4,18 × 2) = 0,18 kg/s, etwa 10,8 l/min je Kreislauf.
In einem 10-mm-Kanal bei 40 °C lag das Minimum nach Reynolds bei 3,1 l/min. Hier ist das thermische Kriterium maßgebend: Es werden fast 11 l/min benötigt, und bei diesem Durchfluss ist die Strömung klar turbulent. Prüfen Sie anschließend, ob die Pumpe des Temperiergeräts diesen Gesamtdurchfluss (etwa 43 l/min) gegen den realen Druckverlust des Werkzeugs liefert.
Kreisläufe abgleichen
Den Durchfluss zu berechnen nützt nichts, wenn er nicht in jedem Kreislauf ankommt. Die üblichen Probleme:
- Ungleiche Parallelkreise: Das Wasser nimmt den Weg des geringsten Widerstands. Ein langer Kreislauf oder einer mit vielen Umlenkungen erhält weniger Durchfluss als ein kurzer.
- Reihenschaltung: Die Temperaturdifferenz summiert sich, und die letzte Zone arbeitet wärmer als die erste.
- Kalk und Schmutz: Sie verringern den nutzbaren Querschnitt und den Durchfluss, ohne dass es jemand merkt. Wir erklären es in Kalk und Ablagerungen im Werkzeugkreislauf.
- Enge Schläuche und Schnellkupplungen: Eine Kupplung mit reduziertem Durchgang kann mehr begrenzen als der Kanal selbst.
So messen Sie im Betrieb
Was nicht gemessen wird, lässt sich nicht steuern. Es gibt drei Stufen:
- Durchflussmesser je Kreislauf: Er zeigt den realen Durchfluss jedes Kanals und erkennt verstopfte oder unausgeglichene Kreisläufe. Für den Einstieg lesen Sie unseren Beitrag über den Durchflussmesser und unsere Industrie-Durchflussmesser.
- Ein- und Austrittstemperatur messen: Das reale ΔT jedes Kreislaufs bestätigt, ob der Durchfluss ausreicht. Das ist die Grundlage der Delta-T-Regelung.
- Mehrkreisverteilung mit Überwachung: Sie misst Durchfluss und Temperatur jedes Kreislaufs kontinuierlich und warnt, wenn einer abweicht. Siehe die elektronische Mehrkreisverteilung.
Typische Fehler
- Sich auf den Nenndurchfluss der Pumpe verlassen, statt den realen Durchfluss jedes Kreislaufs zu messen.
- Kreisläufe in Reihe schalten, die parallel laufen sollten, um Schläuche zu sparen.
- Schnellkupplungen mit reduziertem Durchgang an Kanälen mit größerem Durchmesser verwenden.
- Die Kreisläufe erst prüfen, wenn Fehler an den Teilen auftreten.
Häufige Fragen
Welche Reynolds-Zahl braucht ein Werkzeug?
Als Richtwert 10.000 oder mehr. Unter 4.000 sinkt der Wärmeübergang deutlich.
Welches ΔT zwischen Ein- und Austritt ist akzeptabel?
Im Allgemeinen 2 bis 3 °C, bei Präzisionsteilen 1–2 °C.
Ist mehr Durchfluss immer besser?
Nein. Ist die Strömung turbulent und ΔT klein, erhöht mehr Durchfluss nur den Druckverlust und den Pumpenverbrauch.
Wie oft sollte man den Durchfluss messen?
Ideal ist eine kontinuierliche Überwachung. Mindestens bei jedem Werkzeugeinbau und wenn sich die Teilequalität ändert.
Wir helfen bei Ihren Kreisläufen
Senden Sie uns Anzahl der Kreisläufe, Durchmesser, Material und Produktionsmenge, und wir berechnen mit Ihnen den nötigen Durchfluss. Nutzen Sie den Geräte-Konfigurator oder sprechen Sie mit einem Techniker.