Variable Drehzahlen sind für die Wärmeräder von RainForest entscheidend

Hinter den Kulissen wird viel Maschinenbau betrieben, um einen tropischen Regenwald in der Nähe des Eriesees zu schaffen und zu erhalten, nur 64 km von der kanadischen Grenze entfernt. Es ist eine Leistung von Cleveland (Ohio) Metroparks, einer Freizeitbehörde, die eine „smaragdgrüne Kette“ aus Wäldern, Golfplätzen, Wanderwegen und anderen Attraktionen rund um diese Stadt im Mittleren Westen bietet – bekannt für ihre Sportmannschaften wie für ihre Weltklasse Orchester und Rock 'n Roll Hall of Fame. Ohne modernste HVAC-Technologie ist es zweifelhaft, dass dieser einzigartige tropische Lebensraum – der sich im Cleveland Metroparks Zoo befindet – existieren könnte; und es profitiert weiterhin von Verbesserungen der Ausrüstung, wie z. B. fortschrittlichem Motor- und Antriebsdesign.

Der 1992 eröffnete RainForest im Cleveland Metroparks Zoo ist eine gewölbte, simulierte Biosphäre, die etwa zwei Hektar Pflanzen und Wildtiere enthält, vergleichbar mit denen in tropischen Regenwäldern und Dschungeln. Das Lüftungssystem, das eine halbe Tonnen schwere Wärmepumpe und ABB-Motoren und -Antriebe umfasst, spart 18.000 Pfund Wasser pro Tag aus der Anlage, indem die Feuchtigkeit alle 2,5 Stunden an die trockene, einströmende Frischluft abgegeben wird.

Der Regenwald im Cleveland Metroparks Zoo enthält zwei Hektar Pflanzen und Wildtiere, die denen in Regenwäldern auf der ganzen Welt ähneln. Jedes Jahr kommen mehr als eine Million Besucher in diese zweistöckige, gewölbte, simulierte Biosphäre, um zu erleben, wie es ist, durch tropische Regionen Mittelamerikas, Afrikas oder Asiens zu wandern – und rund 600 Tiere in einer natürlichen Umgebung zu sehen, darunter Vögel, Affen, Reptilien und bunte Fische, die in Lagunen, Sümpfen und warmen Flüssen spielen.

Eine fragile Umgebung in einem rauen Klima
Trotz starker Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen an den Großen Seen, wo „Alberta Clipper“-Stürme im Winter schnell Temperaturen unter dem Gefrierpunkt liefern können und sonnendurchflutete Sommertage über 90 Grad Fahrenheit genießen, genießen Besucher und Bewohner des Regenwaldes fast konstante 76 °C Grad F und 76 Prozent Luftfeuchtigkeit. Dies ist auf ein robustes HLK-System zurückzuführen, das im Laufe der Jahre weiterentwickelt wurde und Komponenten enthält, die die Zuverlässigkeit des Systems um 100 Prozent verbessert haben.

The RainForest, eine 30-Millionen-Dollar-Investition, hüllt Besucher nicht nur in eine exotische Umgebung, sondern erinnert auch daran, was verloren geht – es sei denn, es können mehr Regenwald- und Dschungelflächen vor Überentwicklung geschützt werden.

Heizradanwendung entscheidend für die konstante Temperatur- und Luftfeuchtigkeitskontrolle

Direct Air Systems Inc., mit Standorten in Cleveland und Columbus, Ohio, in Zusammenarbeit mit Zesco Inc., Spezialisten für elektromechanische Bewegungssteuerung und mit Sitz in Cleveland, bietet HLK-Service für The RainForest sowie andere bemerkenswerte lokale Standorte. einschließlich der Rock 'n Roll Hall of Fame.

Der RainForest verfügt über zwei Luftbehandlungseinheiten, die zu 100 Prozent aus Außenluft bestehen. Um optimale Umgebungsbedingungen für die Anlage bereitzustellen und aufrechtzuerhalten, installierte Direct Air Systems SEMCO-Energieradsysteme für die Einheiten, von denen eine eine Gesamtkapazität von 60.000 Kubikfuß pro Minute hat, die hauptsächlich zur Kühlung verwendet wird; während die andere Einheit mit einer Nennleistung von 40.000 cfm mit einem Vorwärmer und einem Befeuchtergestell ausgestattet ist. Beide Einheiten verfügen über nebeneinander angeordnete, 1.000 Pfund schwere Trockenmittel-Wärmeräder mit einem Durchmesser von 10 Fuß, die notwendig sind, um täglich 18.000 Pfund Wasser zu sparen, die Feuchtigkeit aus der verbrauchten Abluft des Regenwaldes zu übertragen und an die trockene Außenwelt abzugeben Luftstrom einmal alle 2,5 Stunden.

Gezeigt sind zwei Wärmeräder mit einem Durchmesser von 3 m, mit denen Feuchtigkeit und Wärme aus der Regenwaldanlage transportiert und frische Luft zurückgeführt wird. Sie werden mit einer Geschwindigkeit von sieben bis 18 Mal pro Minute gedreht, wobei ABB Motor/Drive Direct Torque Control verwendet wird, das kein Getriebe erfordert. Durch den Wegfall des Getriebes wurde die Zuverlässigkeit des Lüftungssystems erheblich verbessert.

Der Begriff „Trockenmittel“ bezieht sich auf an der Oberfläche der Wärmeräder haftendes Material, das Feuchtigkeit sowie Gerüche sammelt, die dann über den oberen Teil der Räder aus dem Gebäude abgeführt werden.

Die Räder drehen sich je nach Luftfeuchtigkeit zwischen sieben und 18 Mal pro Minute. Frischluft, die als „Prozessluft“ bezeichnet wird, wird am unteren Teil der Luftbehandlungsgeräte angesaugt und durch die Räder gefiltert.

Temperatur und Feuchtigkeit der Frischluft werden durch die langsame Umdrehung der Räder und die Tatsache, dass die Masse und die Trockenmitteloberfläche der Räder einen Teil der vom Innenraum gesammelten Wärme und Feuchtigkeit übertragen, gemildert. Heizungen erwärmen die Luft bei Bedarf, bevor sie in den geräumigen Innenraum von The RainForest strömt, der über mehr als 60 Temperaturzonen verfügt, einschließlich derer für Büros, Cafeteria und Souvenirläden.

In die Anlage eingebaute Lüftungsgeräte
Anstatt auf dem Dach montiert und den Elementen ausgesetzt zu sein, wie es bei Lüftungsgeräten üblich ist, werden diejenigen, die The RainForest bedienen, in die Anlage eingebaut, um die Effizienz der Geräte aufrechtzuerhalten, die sonst in Clevelands warmen Sommern und kalten Wintern verloren gehen würden.

Effizienz und Einfachheit zeichnen das System aus
Das Trocknungsverfahren wurde sowohl wegen seiner Effizienz als auch seiner Einfachheit ausgewählt. Es wurde der Schluss gezogen, dass Kessel, Z-Kanäle, Heatpipes oder andere Methoden nicht mit dem 85-prozentigen Wirkungsgrad der Wärmeräder vergleichbar sind. Darüber hinaus sind Wärmeräder äußerst einfach zu bedienen. Die Überlegung war, dass die Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit umso größer sind, je einfacher die grundlegende mechanische Ausrüstung ist. Das hat sich bewahrheitet – bis zu einem gewissen Grad. Während die Technologie einwandfrei hätte funktionieren sollen, entwickelte sich ein nagendes Problem.

Jedes Rad dreht sich mit einem speziell angefertigten 31 Fuß langen Riemen und war bei der ersten Installation mit einem 1-PS-Wechselstrom-Elektromotor mit einer Nennleistung von 1.750 U/min und einem mechanischen Getriebe für eine 5:1-Untersetzung ausgestattet.

Zum Zeitpunkt der Installation war dies eine ziemlich gängige Gerätekonfiguration. Es wurde jedoch festgestellt, dass die für The RainForest verwendeten mechanischen Getriebe mit einer alarmierenden Rate versagten. Einmal im Jahr musste eines der Getriebe ausgetauscht werden. Es war kein Muster erkennbar, das auf eine bestimmte Rad-Getriebe-Anordnung hindeutete. Es war zufällig. Das einzige ständige Element des Problems war der routinemäßige Ausfall eines Getriebes.

Die Schwierigkeit wurde endlich erkannt. Es handelte sich um die Umdrehungen pro Minute. Das Tempo war zu langsam, als dass die Spritzschmiersysteme der Getriebe richtig eingreifen konnten. Dadurch wurden die Teile nicht richtig geölt und verschleißten vorzeitig.

Weg zu einer Lösung
Da beim Einbau der Wärmeräder die Verwendung eines Getriebes der gängige Ansatz war, wurde das Problem zunächst nicht als Ausrüstungsauswahl, sondern als Anwendungsproblem gesehen. Jede Wärmeradinstallation ist maßgefertigt und hat ihre eigene Dynamik, mit der sie fertig werden muss.

Zu den Lösungen des Problems gehörte die Fortsetzung der Praxis des einfachen Austauschs von Getrieben, wenn diese ausgefallen sind; Es stellte sich jedoch bald heraus, dass dies teuer und etwas unvorhersehbar war.

Es wurde auch überlegt, Getriebe mit unterschiedlicher Schmierung zu verwenden, sowie maßgeschneiderte Getriebe speziell für die RainForest-Anwendung herzustellen. Als mehr überlegt wurde, Wege zu finden, das Schmierungsproblem zu lösen, kam man zu dem Schluss, dass diese Möglichkeiten an Experimente grenzten. Der Regenwald mit seinen 600 tierischen Bewohnern war kein geeigneter Kandidat, um solche Risiken einzugehen, insbesondere wenn eine modernere Lösung zur Verfügung stand.

Mit Antrieben, keine Getriebe erforderlich
Direct Air Systems dachte über seine Erfahrungen mit anderen HLK-Anwendungen nach und erwähnte gegenüber dem Wartungsteam des Cleveland Metroparks Zoo eine AC-Antriebs-/AC-Motorlösung, die keine Getriebe erfordert. Dies wurde immer häufiger und hatte eine gute Erfolgsbilanz. Es war auch eine hochmoderne Technologie, die sich von den Problemen und der Komplexität der Mechanismen mit beweglichen Teilen entfernte.

„Als wir sahen, dass wir mit der Getriebeschmierung nicht allzu weit kamen, wandten wir uns an Geräte, die uns jetzt zur Verfügung standen“, erklärte Steve Snyder, Präsident von Direct Air Systems. „Der von uns empfohlene direkte Drehmomentansatz war kostengünstig, wartungsfreundlich und einfach zu bedienen. Getriebeschmierung wäre kein Problem. Außerdem ist direktes Drehmoment bewährte Technik. Die Cleveland Metroparks holten Angebote für das Projekt ein, da es sich um eine öffentliche Einrichtung handelt, und unser Angebot wurde ausgewählt.“

Bei der Nachrüstung handelte es sich um die Direct Torque Control-Lösung von ABB, die das Drehmoment des AC-Motors als primäres Steuerelement nutzt.

Kompakte ABB ACS 800-Antriebe, Teil der ABB Direct Torque Control-Lösung, benötigen eine viel kleinere Stellfläche als frühere Antriebsmodelle. Dies ist besonders hilfreich in Bereichen, in denen der Platz begrenzt ist.

Die ursprüngliche 1-PS-Wechselstrommotor- und Getriebeausrüstung in jedem der Energieradsysteme wurde entfernt und durch eine 5-PS-Induktionsmotor/AC-Niederspannungsantriebskombination von ABB ersetzt. Diese Anordnung ermöglicht den direkten Anschluss des Motors an den Motor/die Last, ohne dass ein Getriebe oder Impulsgeber erforderlich ist. Die Lösung von ABB ermöglicht das volle Motordrehmoment bis zur Drehzahl Null.

Durch die Verwendung eines Algorithmus können die ABB-Antriebe, in diesem Fall ACS-Modelle mit variabler Drehzahl, ohne Encoder zur Drehzahlrückführung laufen. Der Algorithmus ermöglicht es dem Antrieb, den Zustand des Drehmoments und des Flusses des Motors 40.000 Mal pro Sekunde zu berechnen. Der Wegfall des Encoders reduziert die Wartung weiter und verringert die Ausfallzeiten.

Obwohl jedes Energieradsystem von individuellen Johnson Controls-Systemen gesteuert wird, wird der Status der Motoren und Antriebe vom umfassenden Johnson Controls-Gebäudemanagementsystem von RainForest überwacht.

Im Falle eines Regelausfalls sind die ABB ACS-Antriebe so ausgelegt, dass sie automatisch eine voreingestellte Drehzahl anfahren, um sicherzustellen, dass die Wärmeübertragung aufrechterhalten wird. Ersatzmotoren werden in The RainForest inventarisiert und Antriebe werden im Büro von Direct Air Systems, nur wenige Minuten von der Anlage entfernt, aufbewahrt.

Seit der Installation der ABB Motor-Antriebs-Kombination vor mehr als vier Jahren gab es keine Betriebsunterbrechung. Direct Air Systems sieht eine zunehmende Verwendung der direkten Drehmomentsteuerung.

„Es ist definitiv einer der Ansätze, die wir empfehlen“, erklärt Snyder. „Oft gibt es mehr als einen Weg, ein Problem zu lösen. Unter den gegebenen Umständen erwies sich das Verfahren der direkten Drehmomentregelung als gute Lösung. Wir haben es auch auf andere Projekte angewendet. Es hat drei Eigenschaften, die wir mögen. Es ist kostengünstig, einfach und zuverlässig.“

Ein Modell zur Rettung der Regenwälder der Welt
Durch Beiträge von Besuchern von The RainForest und die Bemühungen anderer Organisationen und Regierungen werden jetzt begrenzte Mengen an knappen Regenwäldern und Dschungeln vor Überentwicklung geschützt. Durch die fortgesetzte Unterstützung wird noch mehr von diesem wertvollen Land zur Verfügung gestellt, das nicht nur als Naturschutzgebiet für einheimische Pflanzen und Tiere dient, sondern auch die Umwelt der Erde verbessert, indem es der Atmosphäre Kohlendioxid entzieht. Darüber hinaus erweisen sich diese Schutzgebiete als wichtige Quellen für die Wundermittel von morgen.

Mehr als eine Million Menschen besuchen jährlich den Regenwald und genießen eine nahezu konstante Umgebung von 76 Grad F/76 Prozent Luftfeuchtigkeit, die durch das Lüftungssystem aufrechterhalten wird. Neben Unterhaltung und Bildung in Biologie besteht die andere Aufgabe der Einrichtung darin, Besucher an die Notwendigkeit zu erinnern, einheimische Regenwälder zu schützen, die schätzungsweise mit einer Geschwindigkeit von 1,5 Morgen pro Sekunde durch Abholzung verloren gehen.

Der auf Animal Planet vorgestellte The RainForest ist eine von mehreren Attraktionen im Cleveland Metroparks Zoo, der 168 Hektar umfasst und unter seinen 3.000 Tieren die größte Sammlung von Primatenarten in Nordamerika bietet.

Über den Autor:

ABB, Automation Products, Low Voltage Drives, ist der weltweit größte Hersteller von Elektromotoren und Antrieben. In den USA ermöglicht ein integrierter Kanal von Vertriebsmitarbeitern, Distributoren und Systemintegratoren ABB, New Berlin, Wis., eine komplette Produktlinie energieeffizienter elektrischer Antriebe, Motoren und speziell entwickelter Antriebssysteme an eine breite Palette von Industrie- und Gewerbebetrieben zu liefern Kunden. Zu den hergestellten Produkten gehören AC- und DC-Antriebe mit variabler Drehzahl für Elektromotoren von 1/8 bis 135.000 PS und anwendungsspezifische Antriebssystemlösungen, die unterschiedlichen Kundenanforderungen gerecht werden. Weitere Informationen finden Sie unter www.abb.us/drives.com.