Drucklufterzeugung für Industrie,Handwerk und Gewerbe

Welche Kompressorbauartengibt es?In der Praxis findet man vorwiegend Kolben-,Schrauben-, und Turbokompressoren. Darü-ber hinaus gibt es Membran-, Vielzellen-,Spiral-, Drehzahn- und Drehkolbenkompres-soren.

Hubkolben

KOMPRESSORENTurbo-

kompressoren

Radial AxialOszillierend

Drehzahn-kompressor

Spiral-kompressor

Vielzellen

~~ ~~

Drehkolben

Membran

Schrauben

Rotierend

zweiwelligeinwellig

Verdränger-kompressoren

Abb. 1: Verdichterbauarten

VerdichtungsprinzipKolbenkompressoren

Hubkolbenkompressoren arbeiten nach dem Ver-drängungsprinzip. Der Kolben saugt während desAbwärtshubes Luft aus der Atmosphäre über dasSaugventil an. Zu Beginn des Aufwärtshubes schließtdas Saugventil. Die Luft wird über das Druckventil

Abb. 2: Leistungspotenziale von Verdichterbauarten

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ausgestoßen. Kolbenkompressoren sind mehrzy-lindrig (hohe Liefermengen) oder mehrstufig (hoheDrücke).

Abb. 3: Kolbenkompressor

SchraubenkompressorenSchraubenkompressoren arbeiten nach dem Ver-drängungsprinzip. Zwei parallele, mit unterschiedli-chem Profil versehene Drehkolben, arbeiten gegen-läufig in einem Gehäuse. Schraubenkompressorengibt es bis zu Antriebsleistungen von 1000 kW. DerAntrieb erfolgt über Getriebe, Keilriemen oder direkt.

Schraubenelemente Verdichtungsprinzip

Abb. 4: Schraubenelemente und Verdichtungsprinzip

Einspritzgekühlte Schraubenkompressoren verdich-ten einstufig bis auf 15 bar und zweistufig bis auf20 bar Höchstdruck. Ölfrei verdichtende Schrauben-kompressoren arbeiten einstufig bis 3 bar und zwei-stufig mit Zwischenkühlung bis 10,5 bar. Damit beiölfrei verdichtenden Schraubenkompressoren Haupt-und Nebenläufer sich nicht berühren, werden beideüber ein Synchrongetriebe angetrieben.

TurbokompressorenTurbokompressoren sind dynamische Verdichter, beidenen mit Schaufeln versehene Laufräder das zuverdichtende Gas beschleunigen.

Feststehende Leitapparate an den Schaufeln wan-deln Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie um.Turbokompressoren verdichten ölfrei meist bei gro-ßen Fördermengen. Sie verdichten einstufig bis2 bar, zweistufig bis 7 bar. Die Verdichtung ist bis zu20 Stufen möglich.

Turbolaufrad

dreistufigerZentrifugal-kompressor

Abb. 5: Turbolaufrad und Zentrifugalkompressor

Druckbereiche von Schraubenkom-pressoren

luft - oder wassergekühlt

trockenlaufend

einstufig zweistufig

bis 3,5 barbis 500 kW

bis 10 barbis 1000 kW

einstufig

bis 13 barbis 160 kW

bis 14 bar bis 600 kW

bis 20 bar bis 200 kW

fluidgekühlt

ÖlWasser

einstufig zweistufig

Rotationskompressoren

Abb. 6: Druckbereiche von Schraubenkompressoren

Leistungsmessung ISO 1217Anhang CLeistungsmessungen für Schraubenkompressorenwerden nach ISO 1217 Anhang A beschrieben. An-hang B beschreibt die Leistungsmessungen der Ver-dichterstufen, während Anhang C für die komplettenSchraubenkompressor-Anlagen anzuwenden ist.

VolumenstromDer Volumenstrom (Liefermenge) der Kompressorenwird nach der vorgegebenen Messmethode beiHöchstdruck am Druckluftaustritt der Gesamtanlagegemessen und auf die Ansaugbedingungen zurück-gerechnet.

Ansaugbedingungen:Ansaugtemperatur +20 °CAnsaugdruck 1 barRelative Luftfeuchtigkeit 0 %Kühlwassertemperatur +20 °C

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Innere Motorverlusteenthalten imMotorwirkungsgrad

Motorabgabeleistung:mechanische Leistungin kW, die der Motoran der Welle abgibt

Verluste für Antriebdes Kühlerventilators

Übertragungs-verluste durch Riemen/Getriebe

Kompressorwellenleistung:Benötigte mechanischeLeistung in kW an derKompressorantriebswelle

Motor-Nennleistung:mechanische Wellen-leistung in kW, die der Motor bei 100 % Belas-tung abgeben kannAngabe auf dem Motor-Typenschild

GesamteelektrischeLeistungsauf-nahme

Elektrische LeistungsaufnahmeLüftermotor, falls separater Lüftermotorvorhanden

0 0 0kWhkWhkWhkWh

Abb. 8: Kraft- und Leistungsfluss bei Kompressoren

LeistungsaufnahmeUnter der elektrischen Leistungsaufnahme ist diegesamte Leistungsaufnahme aller Motoren (Antriebs-und Lüftermotor) aus dem elektrischen Leitungsnetzzu verstehen.

Spezifischer LeistungsbedarfBei den Normen zur Leistungsmessung ist fest-gehalten, welche Toleranzen der spezifische Leis-tungsbedarf (elektrische Leistungsaufnahme dividiertdurch Liefermenge) haben darf.

ISO 1217: 1996 (PN2 CPT)

Volumenstrombei angegebenenBedingungen

VolumenstromSpezifischeLeistungs-aufnahme

Leistungs-aufnahme im

Leerlauf*)

unter 0,5 m3/min +/- 7 % +/- 8 % +/- 20 %

0,5 – 1,5 m3/min +/- 6 % +/- 7 % +/- 20 %

1,5 – 15 m3/min +/- 5 % +/- 6 % +/- 20 %

über 15 m3/min +/- 4 % +/- 5 % +/- 20 %

Die o. g. Toleranzen enthalten die Herstellungstoleranzen des Kompressorsinkl. der Messtoleranzen für die bei der Abnahme gemessenen Werte.*) falls vom Hersteller angegeben

Tab. 1: Spezifischer Leistungsbedarf nach ISO 1217

Kompressorräume und Kompressor-aufstellung (VDMA 4363)Die beim Verdichten erzeugte Wärme – und das istfast alle Energie, die dem Kompressor aus dem elekt-rischen Leitungsnetz zugeführt wird – muss wiederabgeführt werden. Die zulässigen Temperaturen imKompressorraum sind im VDMA-Einheitsblatt 4363festgehalten. Sie liegen zwischen +5 °C und +40 °C.Ist die Temperatur zu niedrig, dann besteht die Ge-fahr des Einfrierens der Kompressor-Sicherheitsor-gane. Ist die Temperatur zu hoch, dann kann es zuProblemen bei der Überlastung von Bauteilen kom-men.

Abhängig von den örtlichen Gegebenheiten könnenKompressoren bis ca. 250 kW Antriebsleistung inluftgekühlter Ausführung eingesetzt werden. Besteht

MV

Ansaug-filter

Drossel-klappe

Kompressor-element Ölabscheider

NachkühlerWasser-

ab-scheider

Lüftermit Motor

Antriebsmotor Schaltschrank

ML

MV

BV

Kennzeichnet die gem. ISO 1217, C empfohlenen Messpunkte für:MV = VolumenstromML = LeistungsaufnahmeBV = Bezugspunkt Volumenstrom

Alle anderen genannten Mess-/Bezugspunkte entsprechen nicht der ISO-Norm,da sie nicht den Kompressor als komplette Einheit erfassen.

Abb. 7: Leistungsmessung nach ISO 1217

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keine Möglichkeit der Wärmeabfuhr durch zu hoheKühlluftmengen, dann ist die Wärme durch Kühlwas-ser abzuführen. Die Betriebskosten der wasserge-kühlten Kompressoren liegen ca. 30 % über denender luftgekühlten.

Belüftung von KompressorräumenUnterstützte Konvektion (mit Ventilator, ohne Kanäle)

� geringe Investitionskosten� geringer technischer Aufwand� automatische Raumlufterwärmung

im Winter

� nur bei kleinen/mittleren Kom-pressorleistungen anwendbar

� Raumerwärmung um ∆ t = 5-10 K,daher erhöhte Ventilationsluftmengeerforderlich

� Gefahr bei warmer Ansaugluft.

Zu beachten:

Abb. 9: Natürliche Be- und Entlüftung bei kleinen Antriebsleis-tungen

Entlüftung über Abluftkanal

� mittlerer Investitionsaufwand� mittlerer technischer Aufwand� Kühllufterwärmung um ∆ t = 25 K,

daher geringe Ventilations-luftmenge erforderlich

� nur geringe Erwärmung desKompressorraums

� Umluftklappe ermöglicht Heizen� Schallreduzierung.

Abb. 10: Kanalisierte Abluftführung bei größeren Kompressoren

LuftkühlungDie einfachste Art der Wärmeabfuhr geschieht mittelsKühlluft. Nun muss die kalte Kühlluft dem Kompres-sor zu- und die erwärmte Kühlluft vom Kompressorwieder abgeführt werden. Dazu ist die ausreichendeMenge vom Anwender zur Verfügung zu stellen. DieKühlluft kann jeweils durch freie Öffnungen zugeführtund wieder abgeführt werden. Reicht diese natürlicheBe- und Entlüftung, die vorwiegend bei kleinen Kom-pressoren Anwendung findet, nicht aus, dann mussentweder die Zu- oder die Abluftführung durch einenVentilator unterstützt werden. Reicht das auch nochnicht aus, dann sind Zu- und/oder Abluft über einenKanal zu führen. Bei langen Kanälen ist zur Überbrü-ckung von Druckverlusten im Kanal ein Zusatzventi-lator anzubringen. Besondere Steuerungen lassen imWinter einen Mischluftbetrieb zu. Über eine Jalousie-klappe wird dabei aus dem Kompressorraum warmeLuft mit der von außen angesaugten kalten Luftvermischt. Das Zuführen von Kühlluft über Kanälevon außen ist auch dann zu bevorzugen, wenn im

Kompressorraum selbst keine saubere Kühlluft zurVerfügung steht.

WasserkühlungBei großen abzuführenden Wärmemengen, das heißtbei großen Kompressoren oder bei der Aufstellungmehrerer Kompressoren in einem Raum, ist die erfor-derliche Kühlluftmenge oft nicht problemlos bereitzu-stellen. Dann müssen die Maschinen mit Wassergekühlt werden. Voraussetzung ist natürlich, dassbeim Betreiber Kühlwasser vorhanden ist. Frischwas-ser scheidet von vorn herein wegen der hohen Kos-ten aus. An offene oder geschlossene Kühlwasser-kreisläufe können Kompressoren problemlos ange-schlossen werden. Vor der Entscheidung für dieWasserkühlung muss sicher gestellt sein, dass derKühler der Kompressoren auch für die Qualität desKühlwassers ausgelegt ist. Aggressives Kühlwasserbenötigt Kühler mit resistenten Materialien.

Ein weiterer Punkt wird gern vergessen: Trotz Was-serkühlung muss die im Kompressor von einzelnenBauteilen abgestrahlte Wärme auch noch abgeführtwerden. Dafür wird eine, wenn auch relativ kleine,Kühlluftmenge benötigt.

Wärmerückgewinnung

RaumheizungDie wirtschaftlichste Art der Wärmerückgewinnung istdie Ausnutzung der Verdichterwärme für die Raum-heizung. Voraussetzung hierfür ist ein luftgekühlterKompressor, über den die Kühlluft gezielt hinwegge-führt wird. Wirtschaftlich ist diese Art der Wärmerück-gewinnung deshalb, weil alle Wärme, auch die abge-strahlte Wärme im Kompressor, ausgenutzt wird. Dieerwärmte Kühlluft muss über ein Kanalsystem wei-tergeführt werden. Dabei ist zu beachten, dass mög-lichst kurze Wege eingehalten werden. Denn erstensbedeuten lange Wege Druckverluste im Kanal, diewiederum nur durch einen Zusatzventilator zu kom-pensieren sind und zweitens treten bei langer Ver-weilzeit der Kühlluft im Kanal Wärmeverluste auf.Eine Alternative wären isolierte Kanäle, die aber auchhöhere Investitionskosten bedeuten.

Zu beachten ist, dass bei der Amortisationszeit derWärmerückgewinnung durch Raumheizung natürlichnur die Wintermonate herangezogen werden können.Im Sommer wird die Abwärme über eine Weiche imKanal nach außen geführt.

HeizungswassererwärmungBei Schraubenkompressoren mit Öleinspritzung führtdas Öl ca. 72 % der zugeführten elektrischen Energieab. Diese Energie kann zurückgewonnen werden.

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Dabei spielt es keine Rolle, ob der Schraubenkom-pressor luft- oder wassergekühlt ist. Zur Wärmerück-gewinnung wird das Öl über einen Wärmeaustau-scher geführt, der Heizungswasser um 50 K bis zu70 °C erwärmen kann. Der Wärmeaustauscher ist inder Regel ein Plattenwärmeaustauscher, der einesehr hohe Wärmeausnutzung zulässt, platzsparenduntergebracht werden kann und eben diese hohenWassertemperaturen ermöglicht.

Zu beachten ist hierbei, dass natürlich nur dann Hei-zungswasser erwärmt wird, wenn der Kompressor imLastbetrieb arbeitet. Da nicht immer Lastbetrieb an-steht und somit auch nicht immer warmes Wasserabgegeben wird, kann die Heizungswassererwär-mung durch Wärmerückgewinnung nur zur Unterstüt-zung des Heizungskreislaufs dienen. Die Amortisa-tion der Wärmerückgewinnung bei diesem Einsatzfallist deshalb nur in den Wintermonaten möglich.

BrauchwassererwärmungBei den Plattenwärmeaustauschern der Heizungs-wassererwärmung kann es bei schadhaften Plattenzu einem Durchbruch kommen, so dass sich Wasserund Öl vermischen. Damit nun kein mit Öl ver-schmutztes Wasser in den Abfluss gelangen kann,wird bei der Brauchwassererwärmung ein Sicher-heitswärmeaustauscher eingesetzt. Zwischen der Öl-und der Wasserseite ist eine Trägerflüssigkeit, deren

Druck sich bei einem Öldurchbruch ändert. Übereinen Druckschalter wird ein Signal zum Ausschaltendes Systems gegeben. Bei diesem System kannBrauchwasser um ca. 35 K auf ca. 55 °C erwärmtwerden. Im Gegensatz zur Erwärmung von Hei-zungswasser ist eine Amortisation uneingeschränktüber das ganze Jahr möglich.

KaltwasserWarmwasser

ÖlkreislaufDruckluft

Abb. 12: Brauchwassererwärmung eines öleinspritzgekühltenKompressors

Die Kampagne „Druckluft effizient“ hat zum Ziel, die Betreiber von Druckluftanlagen zur Optimierung ihrer Systeme zu motivieren und dabeierhebliche Kosten einzusparen. Sie wird von der Deutschen Energie-Agentur (dena), dem Fraunhofer-Institut Systemtechnik undInnovationsforschung (Fraunhofer ISI, Gesamtprojektleitung) und dem Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) mitUnterstützung des Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) und den folgenden Industrieunternehmen durchgeführt.

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Weitere Informationen finden Sie unter www.druckluft-effizient.de Druckluft effizient, Fraunhofer ISI, Karlsruhe, August 2003