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Zwei Größen bestimmen die Antriebsleistung eines Lebensmittel-Rührbehälters: die Konsistenz (Viskosität) des Produkts und die Drehzahl der Rührwelle. Wird der Elektromotor gewählt, ohne beide gemeinsam zu betrachten, wird er bei zunehmender Konsistenz entweder überlastet oder bleibt unnötig groß. Während bei einem dünnflüssigen Sirup ein kleiner, schnell drehender Propeller genügt, verlangt ein langsam drehendes großes Ankerrührwerk bei Creme, Karamell oder Fruchtfüllung ein deutlich höheres Drehmoment. In diesem Beitrag zeigen wir, wie sich Konsistenz und Drehzahl auf die Auswahl von Elektromotor und Getriebe auswirken.
Rührwerkstyp und Drehzahlbereich
Behälterrührwerke werden je nach Fließfähigkeit des Produkts mit unterschiedlichen Geometrien gebaut, und jede Bauart arbeitet in einem anderen Wellendrehzahlbereich:
- Propeller und Schrägblattturbine: Für wasserähnlich fließende Produkte (Sirup, Lake, Fruchtsaft, Milch). Sie drehen vergleichsweise schnell und erzeugen im Behälter eine axiale Strömung. Bei manchen kleinen Behältern wird der Antrieb direkt, ohne Getriebe, angebaut.
- Scheibenturbine und Dispergierkopf: Für Aufgaben mit hoher Scherkraft wie das Lösen von Pulvern oder das Herstellen von Emulsionen; sie können mit hoher Drehzahl und kurzzeitig arbeiten.
- Anker- und Abstreifrührwerk: Bei zähen Produkten wie Creme, Pudding, Konfitüre, Karamell oder Schokoladenfüllung drehen sie sich und streifen dabei die Behälterwand ab. Die Wellendrehzahl ist niedrig, der Drehmomentbedarf hoch.
- Wendelrührwerk (Bandrührwerk): Bei sehr zähen, teig- oder pastenartigen Produkten fördert es das Produkt auf und ab; diese Gruppe arbeitet mit den niedrigsten Drehzahlen und dem höchsten Drehmoment.
Der Typ ist deshalb wichtig, weil die Rührwerksdrehzahl die Verarbeitungsqualität des Produkts bestimmt. Bei zähen Produkten verbessert eine höhere Drehzahl die Homogenität nicht; sie kann die Produktstruktur zerstören, Luft einrühren und die Antriebslast rasch erhöhen.
Wie verändern sich Leistung und Drehmoment mit steigender Konsistenz?
Die Rührleistung steigt etwa mit der dritten Potenz der Wellendrehzahl und etwa mit der fünften Potenz des Rührerdurchmessers; Dichte und Konsistenz des Produkts wirken auf diesen Zusammenhang als Faktor. Bei niedriger Viskosität und turbulenter Strömung hängt die Leistung weitgehend von der Dichte ab. Mit steigender Viskosität verlangsamt sich die Strömung, das Produkt bildet vor dem Rührblatt einen Widerstand, und die bei gleicher Drehzahl erforderliche Leistung steigt deutlich.
Daraus ergeben sich in der Praxis zwei Regeln:
- Zähe Produkte verlangen niedrige Drehzahl und hohes Drehmoment. Um dieselbe Leistung bei niedrigerer Wellendrehzahl abzugeben, wird die Getriebeübersetzung größer und das Abtriebsdrehmoment steigt. Selbst wenn sich die Antriebsleistung nicht ändert, wird die Drehmomentkapazität des Getriebes entscheidend.
- Die Konsistenz ändert sich im Prozessverlauf. Bei Prozessen wie dem Kochen von Konfitüre, dem Eindicken von Karamell oder dem Binden mit Stärke ist das Produkt anfangs flüssig und am Ende zäh. Der Elektromotor wird nach dem zähesten Zeitpunkt des Prozesses gewählt; der niedrige Strom zu Beginn täuscht.
Auch die Produkttemperatur verändert die Konsistenz: Abkühlende Creme, Schokolade oder Zuckersirup dickt ein. Der erneute Anlauf am Morgen mit Produkt, das über Nacht im Behälter abgekühlt ist, kann für Antrieb und Getriebe der schwerste Moment des Tages sein.
Abstimmung von Getriebe und Motordrehzahl
Die Rührwellendrehzahl wird in der Regel am Getriebeabtrieb erreicht. Da die Getriebeübersetzung fest ist, ändert sich bei einer anderen Motordrehzahl auch die Rührwerksdrehzahl im selben Verhältnis. Beim Antriebswechsel an einem vorhandenen Behälter ist es deshalb zwingend, die Polzahl beizubehalten: Wird ein Elektromotor der 1500-U/min-Klasse durch einen der 1000-U/min-Klasse ersetzt, läuft das Rührwerk etwa um ein Drittel langsamer; im umgekehrten Fall wird das Produkt zu stark geschert.
Bei einem neuen Behälterprojekt wird dagegen umgekehrt vorgegangen: Zuerst werden die gewünschte Rührwerksdrehzahl und das Drehmoment festgelegt, danach Getriebeübersetzung und Polzahl gewählt. Dieselbe Getriebeabtriebsdrehzahl lässt sich mit einem vierpoligen Elektromotor und größerer Übersetzung ebenso erreichen wie mit einem sechspoligen und kleinerer Übersetzung. Ein sechspoliger Antrieb liefert bei gleicher Leistung ein höheres Nenndrehmoment; bei 5,5 kW hat beispielsweise das vierpolige Modell 132S-4 ein Nenndrehmoment von 36 Nm, das sechspolige Modell 132M2-6 dagegen 54,3 Nm.
Die Passung von IEC-Eingangsflansch und Welle zwischen Getriebe und Elektromotor wird gesondert geprüft. Allgemeine Informationen zu Getriebeanwendungen finden Sie auf der Seite Elektromotoren für Getriebe. Passende HEM Motor Modelle und aktuelle Preise finden Sie auf der Seite Elektromotor kaufen.
Frequenzumrichter bei wechselnder Konsistenz
Bei Produkten, deren Konsistenz sich im Prozessverlauf ändert, ist es üblich, die Rührwerksdrehzahl mit einem Umrichter anzupassen: anfangs schnelles Mischen bei hoher Drehzahl, mit zunehmender Eindickung niedrigere Drehzahl. Hier gilt die allgemeine Angabe auf unserer Website: Unsere Drehstrom-Serien eignen sich für die Drehzahlregelung mit Frequenzumrichter; bei längerem Betrieb mit vollem Drehmoment bei niedriger Drehzahl kann ein Fremdlüfter erforderlich sein, bei langer Leitung zwischen Umrichter und Elektromotor wird ein dU/dt- oder Sinusfilter geprüft; diese Bedingungen sind bei der Bestellung anzugeben.
Das Rühren eines zähen Produkts bei niedriger Drehzahl ist genau der Fall „volles Drehmoment bei niedriger Drehzahl“. Da der Eigenlüfter der Maschine mit der Wellendrehzahl dreht, nimmt die Kühlung ab; dauert der Prozess lange, wird ein Fremdlüfter geprüft. Soll ein Umrichter eingesetzt werden, ist dies bei der Bestellung unbedingt anzugeben. Einzelheiten sind in der Frage zum Betrieb am Frequenzumrichter zusammengefasst.
