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Fakten Fakten zur Druckluft: I Druckluftanwendung II Thermodynamik III Messtechnik im Bereich der Druckluft IV Drucklufterzeugung für Industrie, Handwerk und Gewerbe V Steuerung VI Druckluftaufbereitung VII Druckluftverteilung VIII Gesamtsystemoptimierung IX Druckluftwerkzeuge

Fakten zur Druckluft - Druckluft Effizient · Kaeser Kompressoren Legris – TRANSAIR METAPIPE Schneider Druckluft systemplan, Karlsruhe Thyssen Schulte – MULTIPLAST ultra air ultrafilter

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Fakten

Fakten zur Druckluft:I DruckluftanwendungII ThermodynamikIII Messtechnik im Bereich der DruckluftIV Drucklufterzeugung für Industrie, Handwerk und GewerbeV SteuerungVI DruckluftaufbereitungVII DruckluftverteilungVIII GesamtsystemoptimierungIX Druckluftwerkzeuge

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DruckluftanwendungEigenschaften der DruckluftDruckluft ist eine Energieform, die ein konkurrenzlosbreites Anwendungsspektrum bietet und dabei Ge-schwindigkeit, Kraft, Präzision und gefahrloses Hand-ling miteinander verbindet. Diese Eigenschaften ma-chen Druckluft in vielen Einsatzfällen unersetzbar.Interessant sind jedoch die Anwendungsfälle, beidenen Druckluft in Konkurrenz zu anderen Energie-formen wie elektrischem Strom oder der Hydrauliksteht. Hier gebietet die Wirtschaftlichkeit eine präziseKosten-Nutzen-Analyse. Die verhältnismäßig hohenKosten zur Erzeugung von Druckluft sind immer mitFaktoren wie Arbeitsgeschwindigkeit, Zuverlässigkeit,Wartungsaufwand etc. aufzurechnen. Dabei ist zubeachten, dass der Stand der Technik zugrunde ge-legt wird. Druckluftanwendungen haben sich in denletzten Jahren hinsichtlich der Energieeffizienz enormweiterentwickelt.

Besonders deutlich wird die Vielseitigkeit der Druck-luft, wenn man sich exemplarische Anwendungen vorAugen führt.

KostenNutzen

Energie-einsatz

Wärmerück-gewinnung

Arbeits-geschwin-digkeit

Wartungs-kosten Flexibilität

Druckluftenergie

Elektroenergie

Abb. 1: Qualitativer Kosten-Nutzen Vergleich unter Berücksichti-gung relevanter Parameter

Arbeits- bzw. EnergieluftSeit Jahren weist die Pneumatik als wichtiges An-wendungsfeld für Druckluft zweistellige Wachstums-raten auf. Immer mehr neue Patente, deren Ge-genstand Druckluftzylinder, -motoren und -ventilesind, werden angemeldet. Schnelligkeit, Präzision,Flexibilität und Miniaturisierung dieser Komponentenspielen dabei eine wichtige Rolle.

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Fakten DruckluftanwendungSeite 2 von 4

Abb. 2: Automatisierung mit Druckluft

Ohne Druckluft wäre ein Automatisierungsgrad, wieer heute für die Konkurrenzfähigkeit deutscher Unter-nehmen essenziell ist, nicht möglich.

Abb. 3: Druckluftbetriebene Roboter

Eine Vielzahl von Produkten, die sich aus dem heuti-gen Leben gar nicht mehr wegdenken lassen, könn-ten ohne Druckluft so nicht produziert werden.

Abb. 4: PET-Flaschen

Eine weitere ganz besondere Eigenschaft von Druck-luftgeräten ist die Einsatzmöglichkeit in Exschutz-Bereichen.

So sorgen beispielsweise Druckluft-Hebezeuge in La-ckieranlagen dafür, dass keine Funken fliegen.

Abb. 5: Exschutz-Hebezeug

Druckluft ausschließlich mit altmodischen Anwen-dungen gleichzusetzen, entspricht nicht dem Standder Technik. So ist z. B. das Reinigen von Werkbän-ken durch Abblasen mit Druckluft nicht mehr zeitge-mäß. In vielen Fällen würde es auch der Handfegertun. Wenn Druckluft dennoch auch hierfür eingesetztwerden soll, so empfiehlt sich der Einsatz optimierterDüsen, die bei minimalem Luftverbrauch eine maxi-male Reinigungswirkung erzielen.

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Fakten DruckluftanwendungSeite 3 von 4

Abb. 6: Luftdüsen-Webstuhl

AktivluftVon Aktivluft ist die Rede, wenn Druckluft als Trans-portmedium genutzt wird. Aktuelle Anwendungsbei-spiele sind der Schüttguttransport, das Hin- und Her-schießen von Schiffchen bei Webmaschinen, Ein-sätze bei der Luftlagerung oder die jüngst wiederentdeckte Rohrpost.

Am Beispiel der Luftlagerung lassen sich sehr schöneinige Vorteile der Druckluft aufzeigen. Laserkanonenzum Anvisieren von Geosatelliten z. B. müssen exaktausgerichtet und automatisch nachgeführt werden.Um die nötige Präzision von ±1/3600 Grad zu errei-chen, ist das optische System luftgelagert. Die Luftla-ger lassen völlig ruckfreie und stufenlose Teleskop-bewegungen zu, sorgen für hohe Messgenauigkeitund schützen vor Vibrationen. Ohne Druckluft wärensolche modernen Verfahren zur Erdvermessungkaum realisierbar.

ProzessluftIst die Druckluft direkt als Prozessmedium in be-stimmte Verfahren eingebunden, spricht man vonProzessluft. Gängige Anwendungsbereiche sindTrocknungsprozesse, die Belüftung von Klärbeckenoder Gärluft für Fermentationsprozesse.

Abb. 7: Fermentieren und Abfüllen

Industrielles VakuumEng verwandt mit der Druckluft ist die industrielleVakuumtechnik. Verschiedene Anwendungsfällekönnen mit Druckluft oder Vakuum abgedeckt wer-den. Mit industriellem Vakuum kann man verpacken,trocknen, spannen, saugen, anheben, positionierenu.v.m. Immer mehr Branchen erkennen die Vorzügevon Vakuumapplikationen.

Beispielhaft sei die Elektronik-Industrie genannt, woes in der Produktion auf absolute Präzision bei größ-tem Output ankommt. Im Sinne einer „clean produc-tion“ sorgen äußerst präzise, sehr kleine Vakuum-pumpen unter Reinstraumbedingungen für das ex-akte Handling von Platinen und ihre Bestückung mitMikrochips. Die gleichmäßige, geregelte Saugluft„greift“ den Chip und platziert ihn genau an der richti-gen Stelle auf der Leiterplatte.

Abb. 8: Platinenproduktion

DruckbereicheUnterschiedliche Anwendungen benötigen unter-schiedliche Drücke. In den seltensten Fällen ist eswirtschaftlich vertretbar, auf den höchsten benötigtenDruck zu verdichten und anschließend den Druckwieder zu reduzieren. Deshalb ist es nötig, dieDruckbereiche zu kategorisieren und entsprechendgeeignete Erzeugungssysteme einzusetzen.

• Vakuum- und GebläseanwendungenDieser Bereich reicht vom Grobvakuum bis in denÜberdruckbereich von etwa 1 bar. Mit Drehschie-ber-Vakuumpumpen, Wälzkolben- und Seitenka-nalgebläsen können diese Druckniveaus sehr wirt-schaftlich erzeugt werden.Im Bereich des industriellen Vakuums besteht zwardie Möglichkeit, dieses mittels Druckluft zu erzeu-gen, was aber in fast allen Fällen als Missbrauchvon Druckluft angesehen werden kann. SpezielleVakuumpumpen arbeiten mit einem Bruchteil anEnergieeinsatz.

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Fakten DruckluftanwendungSeite 4 von 4

• Niederdruck-AnwendungenIn Bereichen von 2 bis 2,5 bar Überdruck sprichtman von Niederdruckanwendungen. Meistens wer-den hier rotierende Verdrängerkompressoren zurErzeugung eingesetzt, für extrem große Mengenauch Turbokompressoren.Speziell bei den Niederdruck-Anwendungen, die mitweit geringeren Überdrücken als den klassischen6 bar auskommen, ist häufig zu beobachten, dassdiese Geräte am 7-bar-Netz hängen. Am „Point ofuse“ wird der Druck dann einfach entsprechend re-duziert. In solchen Fällen sollte dringend überprüftwerden, ob die Einrichtung einer separaten Nieder-druckversorgung die Wirtschaftlichkeit nicht erhö-hen könnte.

• Standarddruck-AnwendungenFür Standarddruck-Anwendungen, die über ein 7-bar-Netz gespeist werden, steht eine breite Palettean Kompressoren zur Verfügung. Anforderungenan Luftmenge und -qualität bestimmen hier, welcheKompressoren in welcher Kombination am wirt-schaftlichsten arbeiten.

• Hochdruck-AnwendungenWenn es in den zwei- und dreistelligen bar-Bereichgeht, kommen oszillierende Verdrängerkompresso-ren wie Kolben- oder Membrankompressoren zumEinsatz. Bei großen Luftmengen können sich auchRadial-Turbokompressoren rechnen.Nicht selten ist der Fall, dass wenige Hochdruck-Verbraucher sehr wirtschaftlich über das Standard-Netz mit nachgeschalteten dezentralen Boosternversorgt werden können.

Korrekter DruckJeder Druckluft-Verbraucher benötigt einen be-stimmten Betriebsdruck, um die optimale Leistungabgeben zu können. Bei Werkzeugen, die z. B. nurmit 5 statt der benötigten 6 bar angetrieben werden,geht die Lastdrehzahl bereits um 25 % zurück, ob-wohl die Leerlaufdrehzahl nur um 5 % abnimmt.Deshalb ist es unabdingbar, regelmäßig zu kontrollie-ren, ob der benötigte Betriebsdruck auch zur Verfü-gung steht, und zwar bei voller Auslastung. Druck-verluste durch nicht ausreichende Leitungsquer-schnitte oder Flaschenhälse können nur bemerktwerden, wenn die Druckluft auch fließt. ÜberhöhteBetriebsdrücke bringen keinen Leistungsgewinn. Sieerhöhen nur den Druckluft-Verbrauch und den Ver-schleiß an den Geräten.

DruckluftqualitätÄhnlich stellt es sich bei unzureichend aufbereiteterDruckluft dar. Partikel, Feuchtigkeit und Öl setzenden Druckluftgeräten zu und erhöhen ihre Störanfäl-ligkeit. Erhöhter Verschleiß und Leistungseinbußensind noch vergleichbar geringe Probleme gegenüberdem Totalausfall, der ganze Produktionsausfälle nachsich ziehen kann. Aber auch wenn die Druckluft-Geräte noch störungsfrei arbeiten, kann unzurei-chend konditionierte Druckluft Verunreinigungen inProzesse eintragen, die zum Verlust ganzer Produk-tionschargen führen können.

FazitWer seine Druckluft-Anwendungen mit Bedacht aus-sucht, die Druckluft-Anlage darauf abstimmt und imBetrieb konsequent die für die Wirtschaftlichkeit undBetriebssicherheit relevanten Parameter überwacht,hat sich mit Sicherheit für einen modernen und effi-zienten Energieträger entschieden.

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.

Atlas-Copco BEKO Technologies BOGE Kompressorendomnick-hunter Energieagentur NRW Gardner Denver WittigGASEX Gebr. Becker Ingersoll-RandKaeser Kompressoren Legris – TRANSAIR METAPIPESchneider Druckluft systemplan, Karlsruhe Thyssen Schulte – MULTIPLASTultra air ultrafilter International ZANDER Aufbereitungstechnik

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

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ThermodynamikDruckluft wird in der Industrie als Energieträger wieStrom aus der Steckdose verwendet. Dabei wird häu-fig übersehen, welcher Aufwand für die Erzeugung,Aufbereitung und Verteilung von Druckluft erforderlichist. Zum besseren Verständnis werden hier die grund-legenden physikalischen Zusammenhänge zu erläu-tert und auf typische Missverständnisse hingewiesen.

ZusammensetzungUnter Druckluft versteht man verdichtete atmosphäri-sche Luft. Die wesentlichen Bestandteile unbelas-teter Luft sind Stickstoff (78 vol-%) und Sauer-stoff (21 vol-%) sowie geringe Mengen weiterer Ga-se (1 vol-%) (Abb. 1).

Sauerstoff 21 %

SonstigeGase1 %

Stickstoff 78 %

Abb. 1: Zusammensetzung trockener atmosphärischer Luft

In der atmosphärischen Luft zusätzlich enthalten istWasser in Form von Wasserdampf, dessen Mengejedoch stark in Abhängigkeit von Temperatur, Volu-men und geographischen Bedingungen schwankt.Aus diesem Grunde wird der Wasseranteil der Luftmeist getrennt von den übrigen Bestandteilen der Luftangegeben.

DruckWesentlicher Parameter der Druckluft ist der Druck,der typischerweise in den Einheiten bar und Pa (1 bar= 105 Pa = 105 N/m2) angegeben wird.Der absolute Druck (pa) ist der vom absoluten Null-punkt aus gemessene Druck. Er wird für alle theoreti-schen Betrachtungen sowie in der Vakuum- und inder Gebläsetechnik benötigt.Der Überdruck (pü, pe) ist die praxisgerechte Be-zugsgröße und wird vom atmosphärischen Druck ausbestimmt. Absoluter Druck und Überdruck werden inder gleichen Einheit angegeben. Deshalb ist beiDruckangaben stets darauf zu achten, ob es sich umAbsolutdrücke oder Überdrücke handelt. In der Praxisspricht man meist von Überdrücken, da Druckmess-geräte meist den Überdruck, also die Differenz zwi-schen absolutem und atmosphärischem Druck anzei-gen (vgl. Abb. 2). Zur Vermeidung von Verwechslun-gen kann es sinnvoll sein, bei Druckangaben denBezug durch einen Index anzugeben.

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Fakten ThermodynamikSeite 2 von 4

Atmosphärischer Druck

Unterdruck pu

Absoluter Druck pa

100 %Vakuum 0 %

98 %

50 %

1 ba

r (a)

1 ba

r (a)

2 ba

r (a)

2 ba

r (a)

3 ba

r (a)

3 ba

r (a)

4 ba

r (a)

4 ba

r (a)

1 ba

r (ü)

1 ba

r (ü)

2 ba

r (ü)

2 ba

r (ü)

3 ba

r (ü)

3 ba

r (ü)

20 mba

r

500

mba

r

0 ba

r (ü)

0 ba

r (ü)

Überdruck pü

0 ba

r (a)

Abb. 2: Überdruck, absoluter Druck und Unterdruck

WassergehaltDie maximale Aufnahmefähigkeit der Luft für Was-serdampf wird durch den Sättigungsdampfdruck psbeschrieben. Wie viel Wasser in der Luft aufgenom-men werden kann, ist allein eine Funktion der Tem-peratur. Mit zunehmender Temperatur nimmt die Auf-nahmefähigkeit deutlich zu (Abb. 3).

Bei Abkühlung von Luft besteht deshalb stets dieGefahr, dass der enthaltene Wasserdampf auskon-densiert und Kondensat entsteht.

Kondensat kann auch ausfallen, wenn durch die Ver-dichtung der Sättigungsdampfdruck überschrittenwird. Wird atmosphärische feuchte Luft bei konstan-ter Temperatur verdichtet, so steigt auch der Partial-druck des Wasserdampfes entsprechend dem An-stieg des Gesamtdruckes an. Wird der Sättigungs-partialdruck bei dieser Temperatur durch die Ver-dichtung überschritten, fällt Kondensat aus. Da dieLuft den Kompressor mit deutlich erhöhter Tempera-tur verlässt, fällt das Kondensat erst bei der Rück-kühlung der verdichteten Luft aus, wenn die Tau-punkttemperatur unterschritten wird. Nach dem Un-terschreiten fällt Kondensat kontinuierlich an, alsoauch im Nachkühler. Dort entstehen ca. 60-80 % der

Kondensatmenge. Eine weitere gezielte Abscheidungund Trocknung der Druckluft erfolgt anschließend imDrucklufttrockner oder ungewollt in der Druckluftlei-tung.

Wird Luft mir einer relativen Feuchte von 60 % undeiner Temperatur von 15 °C auf einen Druck von7 bar verdichtet und anschließend wieder auf 25 °Cabgekühlt, so fallen pro Kubikmeter verdichteter Luft30 g Kondensat an.

Weitere Informationen hierzu finden Sie in den Fak-ten „Aufbereitung“.

Leistungsbedarf für die VerdichtungZur thermodynamischen Beschreibung von Zustands-änderungen von Luft (Verdichtung, Entspannung, Ab-kühlung) kann in der für die Drucklufttechnik relevan-ten Temperatur und dem relevanten Druckbereich dieLuft als ideales Gas betrachtet werden. Die idealeGasgleichung beschreibt den Zusammenhang zwi-schen Druck (p), Volumen (V) und Temperatur (T) einesGases.

Es gilt:TRmVp i ⋅⋅=⋅

bzw. bei Bezug auf die Stoffmenge n

TRnVp ⋅⋅=⋅

mit R als der universellen Gaskonstante mit demWert R = 8,3144 J/(mol K). Es gilt demnach, dass dasProdukt aus Druck und Volumen der Luft proportionalzur Temperatur ist. Mit Hilfe der idealen Gasglei-chung können die auftretenden Zustandsänderungbeschrieben werden.

Die beiden wichtigsten Arten vonZustandsänderungen sind die Iso-therme (Druckänderung bei konstan-ter Temperatur) und die reversibeladiabate (isentrope) Zustandsände-rung (Druckänderung ohne Wärme-zu- oder Abfuhr).

Für die isotherme Zustandsänderunggilt:

p1V1 = p2V2

mit R und T = const.0

102030405060708090

100110120130

-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Temperatur [°C]

Sätti

gung

sdam

pfdr

uck

pD [m

bar]

Was

serg

ehal

t [g

/kg]

[g/N

m3]

pD [mbar] Wassergehalt gH2O / kg Luft trockenWassergehalt gH20 / Nm3 Luft trocken

Abb. 3: Sättigungsdruck und Wassergehalt der Luft

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Fakten ThermodynamikSeite 3 von 4

Die spezifische Arbeit für eine Ver-dichtung ergibt sich aus der Volu-menänderungsarbeit zu

1

211

2

112 ln

υυυυ ⋅⋅−=⋅−= � pdpw

Für die adiabate Zustandsänderunggilt:

2

22

1

11

TVp

TVp ⋅=⋅

mit R = const.

Für die Temperatur gilt

κκκ

υυ

1

2

1

)1(

1

2

2

1

−−

��

���

�=�

���

�=

pp

TT

und für die spezifische Arbeit ergibt sich

( )� � −⋅=⋅=⋅=2

112

2

112, TTcdTcdpw ppt υ

Der Isentropenexponent κ hat für Luft im für dieDruckluft relevanten Zustandsbereich einen Wert vonκ = 1,4 kJ/(kg K).

Der theoretische Energiebedarf für die Verdichtungder Luft ist somit abhängig vom Verdichtungsverhält-nis und der Art der Zustandsänderung. Während dieisotherme Verdichtung zu der geringsten spezifischenArbeit führt, ist der reale Zustandsverlauf bei der Ver-dichtung (polytrope Verdichtung) näher an der rever-siblen adiabaten Verdichtung.

In der Praxis sind diese optimalen Werte nicht er-reichbar, da der Verdichtungsvorgang mit Verlustenbehaftet ist. Gute Druckluftanlagen zeichnen sichdurch spezifische Leistungen aus, die ca. 45 % überden theoretisch möglichen der adiabaten Verdichtungliegen (Abb. 4). Zu berücksichtigen ist dabei, dass mitzunehmender Leistungsgröße der Anlage der spezifi-sche Leistungsbedarf abnimmt. Die gemachten spe-zifischen Leistungsangaben beinhalten dabei alleelektrischen und mechanischen Verluste bei derDrucklufterzeugung. Sie sind nicht direkt vergleichbarmit der auf dem Typenschild des Antriebsmotors desVerdichters angegebenen Nennleistung. Die spezifi-sche Leistungsaufnahme einer Druckluftanlage sollteim guten Bereich liegen. Die untere Begrenzungsliniedes guten Bereich wird durch die adiabate Verdich-tung beschrieben, die einen Idealfall darstellt unddeshalb von ausgeführten Anlagen nicht erreichtwerden kann.

Weitere Informationen zur Drucklufterzeugung findenSie in den Fakten „Erzeugung“

DruckverlusteNach Erzeugung und Aufbereitung muss die Druck-luft in einem Netz zu den Verbrauchstellen verteiltwerden. Zusätzlich zu den in der Aufbereitung ent-stehenden Druckverlusten treten bei der Druckluft-verteilung durch den Rohrwiderstand weitere Druck-verluste auf, die einen Energieverlust darstellen. DerReibungsverlust ist bei turbulenter Strömung deutlichgrößer als bei laminarer Strömung (Abb. 5).

Laminare Strömung Turbulente Strömung

Abb. 5: Laminare und turbulente Strömung

Ob sich in der Rohrleitung eine laminare Strömung ein-stellen kann, ist dabei im Wesentlichen von der Strö-mungsgeschwindigkeit abhängig. Der Einfluss der ge-ringfügig unterschiedlichen Rohrrauhigkeiten ist zuvernachlässigen, entscheidender sind die ggf. durchdie Rohrverbindungen entstehenden Querschnittsver-änderungen. Im Auslegungsbereich von Druckluftver-teilsystemen herrscht weitgehend turbulente Strö-mung in der gesamten Druckluftverteilung vor. Mitsteigender Strömungsgeschwindigkeit steigt jedochder Turbulenzgrad an. Je größer die Strömungsge-schwindigkeit ist, umso größer werden die Strömungs-verluste.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Druckverhältnis p1/p0

Spez

ifisc

he L

eist

ung

[kW

/ (m

3 /min

)]

Thermodynamisch unmöglich

Obere Begrenzung: für ideale adiabate Verdichtung

Untere Begrenzung: für ideale isotherme Verdichtung

Guter BereichSchlechter Bereich

Abb. 4: Spezifischer Leistungsbedarf für die Drucklufterzeugung

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Fakten ThermodynamikSeite 4 von 4

Für inkompressible Strömungen ergibt sich die Strö-mungsgeschwindigkeit aus dem Verhältnis von Volu-menstrom und Querschnittsfläche.

AV�=υ

Zu klein dimensionierte Rohrquerschnitte führen zugroßen Strömungsgeschwindigkeiten und hohenDruckverlusten in der Rohrleitung. Zur Begrenzungdieser Verluste sollte die Strömungsgeschwindigkeitin der Druckluftverteilung möglichst kleiner als 6 m/ssein.Weitere Informationen zur Druckluftverteilung findenSie in den Fakten VII „Verteilung“.

DruckluftmessungObwohl die Druckluft ein hochwertiger und teurerEnergieträger ist, wird meist weder der Druckluft-verbrauch noch der Energiebedarf für die Erzeugungund Aufbereitung erfasst. Die Messung und Erfas-sung des Druckluftverbrauchs stellt jedoch einSchlüsselelement für die Kosten- und Energieopti-mierung im Bereich der Druckluft dar. Weitere Ein-zelheiten dazu erfahren Sie in den Fakten „Mess-technik“.

In der „Fakten“-Reihe finden Sie auch zu anderenThemenbereichen weitere Informationen. Diese Fak-ten sollen erste Informationen liefern, können dieproblemspezifische Beratung durch den Fachmannjedoch nicht ersetzen.

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

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Messtechnik im Bereich der DruckluftIm Druckluftbereich liefert die Druckmesstechnik dieDatenbasis zur Beurteilung der korrekten Druckhöhevon Druckdifferenzen im Druckluftnetz sowie zumSteuern und Regeln der Kompressoren. Vor demDimensionieren oder Optimieren einer Druckluftanla-ge sollte man Volumenstrommessungen vornehmen.Ist besonders hohe Druckluftqualität gefordert, liefernentsprechende Messungen Grundlagen zum Sichernder Druckluftqualität sowie zum Optimieren der Druck-luftaufbereitung.

Druckmessung oder DifferenzdruckmessungDie Druckmessung bei Fließbedingung dient vor al-lem zum Steuern und Regeln von Kompressoren oderKompressorenstationen sowie zur Beurteilung vonDruckluftnetzen.

Die Differenzdruckmessung wird darüber hinaus auchzum Überwachen der Funktionstüchtigkeit und Wirt-schaftlichkeit von Luftaufbereitungssystemen wie etwaFiltern eingesetzt.

MembrandruckschalterIn vielen heute eingesetzten Kompressoren und Kom-pressorenstationen erfassen Membrandruckschalterden Druck und leiten die Messwerte in Form eineselektrischen Schaltsignals weiter.

Bitte beachten:• Das Altern der mechanischen Bauteile beeinträch-

tigt die Wiederholgenauigkeit.• Membrandruckschalter benötigen eine hohe Schalt-

differenz zum Ansprechen und brauchen viel Platz.

KontaktmanometerBis in die 90er Jahre des vorigen Jahrhunderts galtes als Stand der Technik, für die Differenzdruckmes-sung, etwa zum Überwachen von Filtern oder zumSteuern von Kompressorenstationen, mechanischeKontaktmanometer einzusetzen.

Bitte beachten:• Um ausreichende Auflösung zu erreichen, sollte der

optimale Messbereich nahe am Arbeitsbereich lie-gen.

• Elektrische Kontaktpunkte führen zu mäßiger Wie-derholgenauigkeit und aufwendigen Einstellarbeitender maximal vier nutzbaren Kontakte.

Elektronischer DruckaufnehmerDie Kompressoren moderner Kompressorenstationensollten auf Basis der Druckmessung von elektroni-schen Druckaufnehmern gesteuert werden, welchedie Druckwerte in analoge Signale umwandeln.

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Fakten MesstechnikSeite 2 von 5

Bitte beachten:• Druckaufnehmer mit einem Ausgangssignal von

4 bis 20 mA bieten Kabelbruchsicherheit.• Liegt das Maximum des Messbereichs nahe dem

Bereich der zu steuernden Größen, ist eine höhereAuflösung zu erzielen.

• Diese sehr robusten und zuverlässigen Systemezeichnen sich durch ihre hohe Wiederholgenauig-keit ebenso aus wie durch ihre kompakte Bauwei-se.

VolumenstrommessungDie Volumenstrommessung wird zum Nachweis derFörderleistung von Kompressoren und sowohl hin-sichtlich des Gesamtluftverbrauches eines Betriebesals auch mit Blick auf Einzelluftverbräuche dezentra-ler Produktionsstätten eingesetzt.

Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich Volumen-stromangaben von Kompressoren und Luftverbrau-chern auf den Umgebungszustand beziehen, dieMessung aber im Druck führenden System vorge-nommen wird. Das Umrechnen der Messwerte aufden Umgebungszustand ist mithin erforderlich.

Um ein absolut exaktes Ergebnis zu erhalten, müssteman daher nicht nur den Volumenstrom, die Tempe-ratur und den Druck der Druckluft, sondern auch denatmosphärischen Druck, die atmosphärische Tempe-ratur und die Luftfeuchtigkeit der angesaugten Luftermitteln (s. Abb. 1). Dies ist unabdingbar beim Leis-tungsnachweis von Kompressoren.

Ansaugtemperatur T1

Ansaugdruck p1

Ansaugfeuchtigkeit Frel1

Austritts-temperatur T2

Austritts-druck p2

Austritts-volumen V2

Leistungsaufnahme in kW

12

1221 pT

TpVV×

××=

Abb. 1: Messung des Ansaugvolumenstroms

Volumenstrommessungen zur innerbetrieblichen Ab-rechnung oder beim Planen einer Kompressoren-station rechtfertigen indes den Aufwand der paralle-len Messung von Umgebungstemperatur, Feuchtig-keit und atmosphärischem Druck nicht. Wohl abersollte die Rückrechnung auf die durchschnittlichenDruck- und Temperaturbedingungen am Aufstellungs-ort erfolgen.

Temperatur- und DruckkompensationDruck und Temperatur sind in einem Druckluftsystemnur selten konstant. Bei der Luftverbrauchsmessungsind daher neben dem Volumenstrom auch Druckund Temperatur während der Messung zu ermitteln,so dass eine korrekte Rückrechnung des gemesse-nen Betriebszustandes auf den Umgebungszustanderfolgen kann (siehe Gasgleichung, Abb. 1). Für eineexakte Messung ist dies unerlässlich.

Ohne Temperatur- und DruckkompensationMit einer Volumenstrommessung ohne parallele Druck-und Temperaturmessung und ohne Rückrechnungüber diese Faktoren auf den entspannten Zustand istlediglich das Ermitteln des geflossenen Betriebs-volumens möglich. Beim Zurückrechnen auf den Um-gebungszustand würden sonst während der Messungaufgetretene Schwankungen von Druck und Tempe-ratur zu Fehlern führen.

Direkte Messung des Volumen- oderMassenstromesDie Staudruckmessung ermöglicht es, den Volumen-strom mit hoher Genauigkeit zu ermitteln. Dabei kannwahlweise eine Venturidüse, eine Differenzdruckblen-de oder eine Staudrucksonde zum Einsatz kommen(s. Abb. 2).

Abb. 2: Staudruckmessung

Bitte beachten:• Um ausreichende Auflösung zu erreichen, sollte der

optimale Messbereich nahe am Arbeitsbereich lie-gen.

dP

v1 v2 v11

2

pstatpstatPdyn +

Messprinzip mitStaudrucksonde

Venturi-Düse

Messprinzipmit Blende

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Fakten MesstechnikSeite 3 von 5

• Elektrische Kontaktpunkte führen zu mäßiger Wie-derholgenauigkeit und aufwendigen Einstellarbeitender maximal vier nutzbaren Kontakte.

• Wichtig sind die korrekte Länge der Ein- und Aus-laufstrecke, das Einbringen des Messkörpers in dasRohrleitungssystem und die genauen geometrischenDaten des Rohres.

• Achtung: Verschmutzungsgefahr!• Sinkt der Durchfluss auf unter 10 Prozent des maxi-

malen Messwertes, führt dies zu geringer Messge-nauigkeit.

Volumetrische MessungVolumetrische Messungen sind hochgenaue Messun-gen, die z. B. zum Bestimmen der Förderleistung vonKompressoren eingesetzt werden. Wichtigste Mess-geräte sind Drehkolbengaszähler und Turbinenmess-radzähler. Während der Drehkolbengaszähler in ei-nem Messbereich von 10 bis 90 % seines max.Durchsatzvolumens eingesetzt werden sollte, bietetder Turbinenmessradzähler auch im unteren Messbe-reich hohe Genauigkeit.

Bitte beachten:• Diese Messgeräte sind wartungsintensive, komplex

aufgebaute mechanische Bauteile.• Keine Überlastfestigkeit (Gefahr bei drucklosem Druck-

luftnetz).

KalorimetrischSogenannte Hitzdrahtanemometer können den Vo-lumenstrom als Funktion des Massendurchsatzes ineiner Druckluftleitung messen, in dem sie die abge-führte Wärme ins Verhältnis zum durchgesetztenVolumenstrom setzen (s. Abb. 3).

Abb. 3: Kalorimetrische Volumenstrommessung

Bitte beachten:• Ohne Temperatur- und Druckkompensation gilt: Vom

Auslegungspunkt abweichende Temperatur, Feuch-tigkeit und Druckschwankungen beeinflussen dasErgebnis stark.

Coriolis MassenstrommessungBasiert auf der Ausnutzung der kontrollierten Erzeu-gung der Corioliskräfte. Diese Kräfte treten dort auf,wo sich translatorische (geradlinige) und rotatorische(drehende) Bewegungen überlagern. Dabei hängt dieGröße der Kräfte von der bewegten Masse und derenGeschwindigkeit und somit vom Massendurchfluss ab(s. Abb. 4).

ω = Winkelgeschwindigkeit A, B = SensorenF = Corioliskraft y = Amplitude∆ϕ = Phasenverschiebung t = Zeit

Abb. 4: Coriolis Massenstrommessung

SonstigeÜber die klassischen Methoden der Volumenstrom-messung hinaus gibt es heute einige neue Messsys-teme.

Karmansche WirbelstraßeDie Volumenstrommessung erfolgt auf Grundlage derKarmanschen Wirbelstraße (s. Abb. 5).

Abb. 5: Karmansche Wirbelstraße

Ein in einem Druckluftsystem fixierter, exakt definier-ter Körper erzeugt Wirbel und somit Schwingungen,die sich mit einem Aufnehmer erfassen lassen. Sievariieren analog zu den Änderungen des am Ablen-kungskörper vorbeistreichenden Volumenstroms.

Diese Messanordnung hat ähnliche Eigenschaftenwie Staudruckmesssysteme.

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Fakten MesstechnikSeite 4 von 5

Bitte beachten:• Bauseitig ausgelöste Schwingungen in Rohrleitun-

gen können das Messergebnis beeinflussen.

UltraschallmessungUltraschallmessgeräte, wie sie aus der Gas- undWassertechnik bekannt sind, haben in Druckluftsys-temen noch keine so weite Verbreitung gefunden (s.Abb. 6).

UltraschallwandlerSchallpfade

Fokussierungsfläche

Abb. 6: Ultraschalldurchflussmessung

Indirekte MessungenWährend sich die bisher beschriebenen direkten Mes-sungen zentral als auch dezentral zur Luftver-brauchsmessung in Betrieben und auch zum Bestim-men der Leistungsdaten von Kompressoren einset-zen lassen, dienen indirekte Messungen unter Zuhil-fenahme der Kompressoren zum Ermitteln von Luft-verbrauchswerten und Verbrauchscharakteristiken kom-pletter Druckluftsysteme.

Digital-Lastzeit-Erfassung der KompressorenKompressoren mit diskontinuierlicher Regelung wer-den an einen Datalogger angeschlossen, welcherVollast, Leerlauf und Stillstandszeiten der Kompres-soren erfasst (s. Abb. 7).

Opto-Koppler

digital Data logger

analogP-Transmitter

40-20 mA

Abb. 7: Digitale Lastzeiterfassung

Nach dem Einlesen dieser Daten in einen Computerlassen sich die Förderleistungen der einzelnen Kom-pressoren sowie die Gesamtluftverbrauchswerte desBetriebes simulieren.

Bitte beachten:• Ein Vorteil dieses indirekten Messverfahrens ge-

genüber direkten Messungen liegt darin, dass nichtnur Informationen über die Luftverbrauchswerte ge-sammelt werden, sondern dass es auch Daten überAuslastung und Laufverhalten der Kompressorenbereitstellt.

• Geringer Montageaufwand.• Mindestmesstakt 1 sec, um Verbrauchsspitzen zu er-

fassen.

Weitere VerfahrenEinfache Luftverbrauchsmessungen oder Auslastungs-messungen von Kompressoren können auch durchAblesen der Laststundenzähler und durch Messun-gen von Kesselentleerungszeiten ermittelt werden.

Bitte beachten:• Sehr personalintensiv und ziemlich ungenau.

Leckagemessverfahren durch DruckmessungMittels eines einfach im Druckluftsystem einzubauen-den Drucksensors werden über einen längeren Zeit-raum in kurzen Zeitabständen die Drücke gemessenund gespeichert. Hierzu muss das System nicht auf-getrennt werden, eine Kupplung oder ein zölliger An-schluss sind ausreichend.

Die Druckkurven werden anschließend mittels einesmathematischen Verfahrens derart bearbeitet, dassder Auftraggeber hinterher zu jedem einzelnen Mess-zeitpunkt genau weiß, wie hoch der Anteil an Lecka-gen und wie groß der Nutzlastanteil (prozentual) ist.Dies erfolgt durch die Berechnung der Druckabfälleund deren Gradienten, die mittels eines mathemati-schen Algorithmus eine Idealkurve ergeben. Die Ide-alkurve wird mit den real gemessenen Kurven vergli-chen (s. Abb. 8).

7,0

7,2

7,4

7,6

7,8

8,0

1:40:00 1:40:28 1:40:57 1:41:32 1:42:01 1:42:30

Zeit

Dru

ck

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Druck Nutzanteil

Abb. 8: Leckagemessverfahren bei laufendem Betrieb

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Fakten MesstechnikSeite 5 von 5

Die Ergebnisse sind die relativen Anteile der Nutzlastbzw. der Leckagen zum jeweiligen Zeitpunkt. Werdengleichzeitig die Durchflüsse oder Verdichterlaufzeitenerfasst, lassen sich die relativen Werte in absoluteVerluste umrechnen.

Bitte beachten:• Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass eine

Berechnung der Leckagen während der Betriebs-phase möglich ist. Es eignet sich daher besondersfür Betriebe mit kontinuierlicher Produktion.

Leckagemessung durchDruckluftbehälterentleerung

Eine vereinfachte Leckagemessung ist auch übereine Messung mittels Druckbehälter möglich. Hierbeiwird der Behälter auf den Maximaldruck, der im Sys-temdruck benötigt wird, erhöht und die Zeit gemes-sen, die auf Grund der Leckagen bis zu einemDruckabfall von 1 bis 2 bar vergeht (s. Abb. 9).

7 9

Zuleitungabgesperrt

Leckagemenge

Werkzeugeaußer Betrieb

tppV EAB )( −×

= VL�

MesszeittkterenddrucDruckbehälpdruckteranfangsDruckbehälp

tervolumenDruckbehäl VgeLeckagemenV

E

A

B

L

=====�

Abb. 9: Leckagemessung durch Druckluftbehälterentleerung

Luftqualitätsmessungen nach ISO 8573

Für exakte Luftqualitätsmessungen ist die Art undWeise der Probenentnahme besonders wichtig.

Wenn in einem Druckluftrohr turbulente Strömungherrscht und zudem besondere Randströmungenvorhanden sind, ist die Probe an einem Ort zu ent-nehmen, an dem sichergestellt ist, dass sie eine re-präsentative und verwertbare Mischung aller Be-standteile der Druckluft enthält. Dies ist nur mit einersogenannten isoknetischen Probenentnahme (s. Abb.10) zu gewährleisten.

1. Probeentnahme Sonde in Hauptleitung2. Einstellbare Buchse zum Befestigen der Sonde3. Druckluftleitungsquerschnitt „D“4. Einschraubtiefe min. „3 x D“5 Durchflussrichtung6. Mindestlänge der Einlaufstrecke = 10 x D

Abb. 10: Isoknetische Probeentnahme

Für die einzelnen Schadstoffklassen – etwa nach• ISO 8573-2: Ölaerosolgehalt• ISO 8573-3: Wassergehalt• ISO 8573-4: Partikelgehalt• ISO 8575-5: Öldampf- und Kohlenwasserstoffgehalt• ISO 8573-6: gasförmige Verunreinigungen• ISO 8573-7: mikrobiologische Verunreinigungen

sind jeweils die in den Normen beschriebenen Mess-systeme der Entnahmestelle nachzuschalten.

Die Luftqualitäten werden in ISO 8573-1 klassifiziert.

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.

Atlas-Copco BEKO Technologies BOGE Kompressorendomnick-hunter Energieagentur NRW Gardner Denver WittigGASEX Gebr. Becker Ingersoll-RandKaeser Kompressoren Legris – TRANSAIR METAPIPESchneider Druckluft systemplan, Karlsruhe Thyssen Schulte – MULTIPLASTultra air ultrafilter International ZANDER Aufbereitungstechnik

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

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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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Fakten ErzeugungSeite 2 von 5

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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Fakten ErzeugungSeite 3 von 5

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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Fakten ErzeugungSeite 4 von 5

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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Fakten ErzeugungSeite 5 von 5

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

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SteuerungSteuerungen in Kompressoren-stationen werden sowohl bei derDrucklufterzeugung als auch beider Druckluftaufbereitung einge-setzt. Diese Fakten behandelndie Steuerungen, die die Druck-lufterzeugung dem Druckluftver-brauch anpassen (s. Abb. 1).

Interne und übergeordne-te Regelung (Steuerung)Man unterscheidet innerhalb derKompressorenstation zwischen in-ternen und übergeordneten Rege-lungen der Kompressoren. Inter-ne Regelungen sind dafür verantwortlich, die jeweili-ge Kompressoreneinheit an die geforderten Luftver-bräuche anzupassen und dabei durch eine optimaleKoordination der internen Steuerungsvorgänge, eineÜberlastung der Kompressoreneinheit zu verhindern.Da moderne Kompressorenstationen im Normalfallaus mehreren Einzelkompressoren bestehen, ist dieAufgabe der übergeordneten Regelung, die Einzel-anlagen optimal auszulasten und ihren Einsatz ge-mäß dem tatsächlichen Luftverbrauch zu koordinie-ren und zu überwachen.

Regelungsarten internBei den internen Regelungsarten unterscheidet manzwischen diskontinuierlichen und kontinuierlichen Re-gelungen.

Diskontinuierliche RegelungDie Vollast-Leerlauf-Aussetzregelung ist derzeit eineder am häufigsten vorkommenden Regelungen beinicht drehzahlgeregelten Antrieben. Erreicht der Be-

RegelungenSteuerungen

Kaskade

seriell lastabhängig Ventile VollastLeerlauf

Aus-setzen

Druckband

Drehzahl

kontinuierlich

Durchlauf VollastStillstand

diskontinuierlich

GepulsterGleichstrom

FU

SaugdrosselDralldrossel

übergeordnet intern

Abb. 1: Steuerung von Druckluftanlagen

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Fakten SteuerungSeite 2 von 5

triebsdruck die eingestellte untere Druckgrenze pmin,so wird der Kompressor gestartet und fördert Druck-luft. Bei Erreichen von pmax wird der Kompressor nichtstillgesetzt, sondern geht in Leerlauf durch Druck-entlastung. Wird während der Leerlaufzeit pmin er-reicht, so geht der Kompressor von dort wieder inVollast. Bei einem geringen Luftverbrauch wird nachAblauf einer Leerlaufzeit der Kompressor in Stillstandgesetzt (Abb. 2).

100

Motorleistung in %

pmax

pmin

Leerlauf

Stillstand

Vollast

20406080

Zeit

Druck

t1

t1

Abb. 2: Einsatzbereich Spitzenlastkompressor

Beachten:• Schnelle Reaktion• Hohe Schalthäufigkeit ohne Motorüberlastung• Bei schlechter Auslastung Energieverbrauch

Leerlauf.Bei Leerlaufregelung mit optimierter Leerlaufzeit wirddie Nachlaufzeit, in Abhängigkeit der Druckschwan-kungen über die Zeit und der Motorgröße, variiert undträgt damit besonders bei Grundlastmaschinen zuerheblichen Einsparungen im Bereich der Leerlauf-kosten bei (Abb. 3).

Motorleistung in %

A BCD E F GHIK LMNOPQ RS TU V W

t3t3t8

t1

t2

t1

t4t5

t3 t6 t1 t7

pmax

pmin

Leerlauf

Stillstand

Vollast

20406080

100

Druck

Zeit

Abb. 3: Einsatzbereich Grundlastkompressor

Beachten:• Niedrigstmöglicher Leerlaufanteil• Gute Energieausnutzung• Längere Reaktionszeit.Diskontinuierlich geregelte Anlagen haben eine Ge-meinsamkeit, sie werden über Druckgrenzen pmax undpmin geregelt.

MesswertgeberLiegen bei mechanischen Druckschaltern die erfor-derlichen Druckgrenzen mitunter bis zu einem barauseinander, so sind heute mittels moderner Druck-aufnehmer Druckdifferenzen auf 0,2 bar reduzierbar.

Beachten:• Energieeinsparung durch kleines ∆p• Hohe Wiederholgenauigkeit• Große Druckkonstanz• Keine universelle Austauschbarkeit.

Kontinuierliche RegelungMotordrehzahlregelung

Die gängigsten Möglichkeiten bei modernen Kom-pressoren Drehzahländerungen herbeizuführen, sindentweder die Drehzahländerung über Frequenzum-richtung oder über Gleichstrommodulation. In beidenFällen werden die Anlagen bei einer Druckgrenze pmingestartet. Die Motoren fahren dann entlang einerKennlinie auf eine Drehzahl, die durch das VerhältnisIst-Druck zu Regeldruck gekennzeichnet wird.Liegt der Luftverbrauch außerhalb des Regelberei-ches der Maschine, so wird je nach Folgesteuerungdie Anlage in Stillstand oder Leerlauf geschaltet(Abb. 4).

A B C D E F GH I K L

t1

t3t2 t1

pmax

pmin

Leerlauf

Stillstand

Vollast

20406080

100

Druck

Motorleistung in %Zeit

PR

Abb. 4: Einsatzbereich Spitzenlastkompressor

Beachten:• Gute Regelbarkeit• Schnelle Reaktion• Konstanter Druck +/- 0,1 bar• Gute Energieausnutzung im Regelbereich zwi-

schen 40 und 80 %• Geringe Energieausnutzung bei Auslastung

> 80 %, < 40 %• Hohe Investitionskosten• E-Netzrückwirkungen.Für die Wirtschaftlichkeit der Regelungsart ist die Kenn-linie des Reglers, des Motors und des Verdichter-blocks im Teillastbereich ausschlaggebend (Abb. 5).

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Fakten SteuerungSeite 3 von 5

6,5

7,5

8,5

9,5

10,5

15 25 35 45 55 65 75 85 95

Auslastung in %

kW /

(m3 /m

in)

Abb. 5: Spezifisches Leistungsverhalten eines drehzahlgeregel-ten Kompressors

Ansaugdrosselregelung

Maschinen mit Ansaugdrosselregelung sind norma-lerweise Kompressoren, die eine Vollast-Leerlauf-Aussetzregelung haben und mit einem zusätzlichenRegler versehen sind. Dieser wird auf einen Regel-druck eingestellt. Wird dieser Regeldruck erreicht,wird je nach Abweichung des Regeldrucks im Plus-Minus-Bereich das Einlassventil des Kompressorsgeschlossen oder geöffnet. Bei Verdrängerverdich-tern handelt es sich hierbei lediglich um eine Redu-zierung des Volumenstroms, die nur geringfügigenEinfluss auf das Leistungsverhalten des Kompressorshat (Abb. 6).

Leistung

Liefermenge100 % 50 % 10 %

80 %70 %

20 %

100 %

Leerlauf

Abb. 6: Regelung des Volumenstroms durch Ansaugdrosselung

Beachten:• Geringe Kosten• Großer Regelbereich 100 % bis 10 %• Extrem schlechte Energieausnutzung.

Abblaseregelung

Als Abblaseregelung werden Regelungen bezeichnet,bei denen der Kompressor verdichtete Luft in dieAtmosphäre abbläst und damit die Förderleistung anden tatsächlichen Luftverbrauch angleicht.

Eingesetzt wird diese Regelungsart im Bereich vonNiederdrucksystemen (z. B. Gebläsen) oder auch beidynamischen Verdichtern.

Bei dynamischen Verdichtern wird mit dieser Rege-lung auch das Leistungsverhalten beeinflusst, jedochgeht dies nur in einem relativ kleinen Regelbereich(Abb. 7).

Regelbereich

Abblasebereich

Druc

k

Volumen

Abb. 7: Abblaseregelung

Beachten:• Lineares Leistungsverhalten im Regelbereich• Regelbereich normalerweise ca. 20-30 % ohne

Abblaseregelung (hoher Energieverlust).

Übergeordnete RegelungBei übergeordneten Regelungssystemen unterschei-det man zwischen Kaskaden- und Druckbandrege-lung.

Kaskadenregelung

Die bekannteste Art der Koordination ist die soge-nannte Druckkaskade; hierbei ist jedem Kompressorein bestimmter Schaltbereich durch die übergeord-nete Regelung zugewiesen (Abb. 8).

Kompressor 1Kompressor 2

Kompressor 3Kompressor 4

Ges

amte

sD

ruck

band

Kompressor 5

Abb. 8: Kaskadenregelung

Beachten:• Druckband, dadurch vermeidbarer Energie-

verbrauch (je bar ca. 6-10 % Energie-Mehr-verbrauch)

• Keine Rücksicht auf den aktuellen Luftverbrauch• Nur bis maximal 4 Kompressoren zu empfehlen.

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Fakten SteuerungSeite 4 von 5

Bei gleich großen Kompressoren werden, je nach Lauf-zeiten der Kompressoren oder über eine Zeitschal-tung, die Kompressoren in Grund-, Mittel- und Spit-zenlast vertauscht, um eine gleichmäßige Auslastungzu erreichen. Mitunter werden bei der Verschaltungvon 4 Kompressoren in einer Druckkaskade bei Ein-satz von Membrandruckschaltern oder Kontaktma-nometern Druckspreizungen von bis zu 2 bar benö-tigt, um die Anlagen ordnungsgemäß zu schalten.Der Einsatz moderner Drucksensoren ermöglicht dieVerringerung der Druckspreizung bei 4 Kompresso-ren auf 0,7 bar.

Druckbandregelung

Moderne übergeordnete Steuerungssysteme nutzendie Möglichkeit, beliebig viele Anlagen über einDruckband zu steuern; die kleinste Steuerungsdiffe-renz ist 0,2 bar (Abb. 9). Der Vorteil dieser Steue-rungsart ist eine Reduzierung des max. Druckes inder Druckluftstation, somit Verringerung der primärenEnergiekosten und der Verluste in der Druckluftsta-tion.

oberer AbschaltdruckNetzdruckunterer Abschaltdruck

Druckschwankung herkömmlicherGrundlastwechselschaltung

Druckschwankung bei Bandsteuerungen

6,0

6,5

7,0

7,5

Sicherheit Zeit

Unterschiedliche Druckschwankungen und Druckeinsparung bei herkömmlichen Grund-lastwechselschaltungen (Kaskadensteuerungen)und modernen Kompressorverbundsteuerungen(Druckbandsteuerungen)

Abb. 9: Druckbandregelung

Erweiterungsmöglichkeiten mit über-geordneten RegelungenErweiterte Druckbandregelungen können auch ver-schiedene Kompressorengrößen lastabhängig aus-wählen und bei entsprechendem Druckluftbedarf mit-einander koordinieren. Die richtige Auswahl der Kom-pressorengrößen verhindert, dass sogenannte Regel-löcher entstehen (Abb. 10). Regellöcher können ent-stehen bei falscher Abstufung der Kompressoren undeiner Diskrepanz zwischen geförderter Luftmengeund Druckluftbedarf.

1 x 15 m3/min

1 x 15 m3/min1 x 15 m3/min

1 x 7,5 m3/min1 x 7,5 m3/min

1 x 6 m3/min1 x 6 m3/min1 x 9 m3/min

Abb. 10: Möglichkeiten der Aufteilung der Drucklufterzeugung

Zur Verbesserung der Überwachung und zur Dar-stellung der Prozesse innerhalb einer Druckluftstationkönnen diese übergeordneten Regelungen nicht nurdie Daten der Kompressoren, sondern auch Datender jeweiligen Aufbereitungs- und Verteilungssyste-me in einer Druckluftstation erfassen und diese dannüber eine entsprechende Leittechniksoftware an einezentrale Leitstelle weitergeben (Abb. 11).

�HAUPTANTRIEB STEHT, BREMSE IST AKTIVIERT�WERKZEUGWECHSEL VORBEREITEN

�-DP

�Leitebenen -Netzwerk Ethernet

�Vesis

Service-Center weltweit

�Telefon

�Modem

�Modem

�Leitwarte

Modem

Modem

Telefon Leitwarte

Leitebenen-Netzwerk Ethernet

übergeordneteRegelung

Prozess-Profibus-DP

Kompressoren

Abb. 11: Einsatz von Leittechnik zur Kompressorensteuerung

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Fakten SteuerungSeite 5 von 5

EinsparpotenzialÜbergeordnete Steuerungen können durch Druckab-senkung und bessere Koordination gemäß EU-Studieein energetisches Einsparpotenzial von durchschnitt-lich 12 % erreichen. Optimierte interne Steuerungenkönnen durch Reduzierung der internen Steuerungs-verluste ein energetisches Einsparpotenzial von durch-schnittlich 15 % erreichen.

Speicherung von DruckluftDie Energie der Druckluft ist gespeichert in denRohrleitungen und Behältersystemen. Druckluftver-braucher arbeiten häufig extrem diskontinuierlich. DieFörderung von Druckluft mittels Kompressoren mussdabei mit dem diskontinuierlichen Luftverbrauch inEinklang gebracht werden. Speicherbehälter stellenhierbei das Rückrat der Wirtschaftlichkeit einerDruckluftstation dar. Sie sollten eher größer als zuklein ausgewählt werden. Der Einfluss der Speicher-behälter auf die Wirtschaftlichkeit einer Druckluftsta-tion ist dabei abhängig, wie groß der Druckverlustzwischen Messpunkt der Steuerung und dem Ort derDruckluftspeicherung ist. Im Normalfall sollte er nichtgrößer als 0,1 bar sein. Bei Pufferbehältern unter-scheidet man heute zwischen dezentralen Puffernund zentralen Puffern in einem Druckluftsystem.

Zentraler Puffer

Der zentrale Pufferbehälter in einer Druckluftstationdient in erster Linie dazu die Schalthäufigkeit vonKompressoren zu minimieren. Darüber hinaus ver-hindert er zu große Druckschwankungen im Druck-luftsystem. Er sollte entsprechend den Berech-nungsformeln ausgewählt werden, wobei eine Grö-ßerdimensionierung als der Minimalwert, der in denFormeln berechnet wird, der Wirtschaftlichkeit derDruckluftstation zu gute kommt (Abb. 12).

z ≈ 45 für Schraubenkompressoren (Volllast; Leerlauf)Ein "Daumenwert": (x - x2) ≈ 0,25

Gängigez-Werte/h bei

Motorschaltung:Kompressor-

leistung

7,5 kW 30 kW110 kW250 kW

3015 8 4

VB = V1 • (x - x2)

z • ∆∆∆∆p

VB = Volumen des Druckluftbehälters [m³]V1 = Liefermenge des schaltenden Kompressors [m³/h]V2 = Spitzenverbrauch minus Durchschnittsverbrauch [m³/h]x = V2 : V1 = Auslastungsfaktor [m³/h]z = zulässiges Schaltspiel [1/h]∆∆∆∆p = Druckdifferenz EIN/AUS [bar]

• •

Abb. 12: Dimensionierung zentraler Druckluftspeicher

Dezentraler Puffer

Der dezentrale Puffer dient häufig dazu, Druckluft-verbraucher, die schlagartig große und kurzzeitigeVerbräuche haben, mit Druckluft zu versorgen unddabei einen Druckeinbruch im restlichen Druckluft-netz zu verhindern. Er muss entsprechend der Lauf-zeit dem Luftverbrauch und den erlaubten Druck-schwankungen des dezentralen Verbrauchers aus-gewählt werden (Abb. 13).

VB = Volumen des Druckluftbehälters [m³]V = Luftverbrauch [m³/min]t = Zeit des Luftverbrauchs [min]∆∆∆∆p = Erlaubter Druckabfall [bar]

Zu beachten: Ersetzt nicht über längere Zeit den Kompressor

Einsatz als:

� Puffer bei kurzer aber heftigerDruckluftentnahme

� als "Notstromaggregat"

VB = V • t∆∆∆∆p

Abb. 13: Dimensionierung dezentraler Druckluftspeicher

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.

Atlas-Copco BEKO Technologies BOGE Kompressorendomnick-hunter Energieagentur NRW Gardner Denver WittigGASEX Gebr. Becker Ingersoll-RandKaeser Kompressoren Legris – TRANSAIR METAPIPESchneider Druckluft systemplan, Karlsruhe Thyssen Schulte – MULTIPLASTultra air ultrafilter International ZANDER Aufbereitungstechnik

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

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DruckluftaufbereitungDie Qualität der Druckluft ohne Aufbereitung ist heutefür die meisten Anwendungen nicht mehr ausrei-chend und würde zu einer Qualitätsminderung der mitder Druckluft in Verbindung kommenden Produkteführen. Es kann zu Störungen an Produktionsanlagenbis hin zum Produktionsausfall oder der Unbrauch-barkeit von Produkten führen, sprich eine deutlicheund mitunter kritische Minderung der Produktqualität.Die Anwendung der Druckluft entscheidet über diegeforderte Druckluftqualität.

Maximale Anzahl von Teilchen/m³Teilchen Größe d (µm)

Kla

sse

0,1< d ≤ 0,5 0,5 < d ≤ 1 1 < d ≤ 5

Druck-taupunkt

(°C)

Rest-Ölgehalt(mg/m³)

0 spezifiziert gemäß Anwendung und besser als Klasse 1

1 100 1 0 ≤ -70 0,01

2 100.000 1.000 10 ≤ -40 0,1

3 – 10.000 500 ≤ -20 1

4 – – 1.000 ≤ +3 5

5 – – 20.000 ≤ +7 –

Tab. 1: Qualitätsklassen nach DIN-Norm ISO 8573-1

Die maximalen Belastungen mit Partikeln, Wasserund Öl wird in der DIN-Norm ISO 8573-1 in Qualitäts-

klassen eingeteilt. Die Hersteller von Druckluftver-brauchern können so benötigte Qualität definieren.

DrucklufttrocknungDie unterschiedlichen Verfahren der Drucklufttrock-nung können unter Berücksichtigung der erreichba-ren Drucktaupunkte und der hierzu notwendigenEnergie wie in Abb. 1 dargestellt unterteilt werden: Jenach System wird der Energiebedarf als Druckluftoder als elektrische Energie aufgenommen.

14

20

10

Ener

gieb

edar

f dur

ch d

irekt

e od

er in

dire

kte

elek

trisc

he L

eist

ungs

aufn

ahm

eAdsorptionstrockner

3 (-20 °C)

Druckluftkältetrockner

Membrantrockner (nur für kleine Volumenströme)

3

1 (-70 °C) 2 (-40 °C) 4 (+3 °C) 5 (+7 °C) 6 (+10 °C)Drucktaupunktklasse

Druckluftkältetrockner

Adsorptionstrockner

(kaltregenerierend)

Adsorptionstrockner

* Eine indirekte elektrische Leistungs-aufnahme ergibt sich aus dem Mehr-bedarf an Druckluft, um die Spül- bzw.Regenerationsverluste der Systeme(z. B. kaltregenerierende Adsorptions-trockner) zu kompensieren.

Membrantrockner

Watt/m³

(extern warmregenerierend)

Abb. 1: Verfahren der Lufttrocknung

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Fakten DruckluftaufbereitungSeite 2 von 7

KältetrocknerKälte-Drucklufttrockner sind heute in DruckluftnetzenStand der Technik und ebenso wichtig wie der Druck-lufterzeuger selbst. Zudem ist er für die Vielzahl derAnwendungsfälle das wirtschaftlichste Verfahren.

Physikalische Grundlage:Mit sinkender Temperatur verringert sich die Fähig-keit der Druckluft, Wasser mit sich zu führen. Beifallender Temperatur kondensiert Wasserdampf zuWasser. Der Kälte-Drucklufttrockner entzieht der Druck-luft den mitgeführten Wasserdampf. Hierbei wird dieDruckluft in einem Wärmeaustauschersystem gekühlt.Wasser- und Öldampf werden durch Kondensation,Öl durch Koagulation und Koalition entzogen. Ableit-systeme führen das Kondensat ab.

1 Luft/Luft-Wärmetauscher2 Luft/Kältemittel-Wärmetauscher3 Kondensatabscheider4 Kältemittelverdichter5 Kältemittelverflüssiger

LuftkreislaufKältemittelkreislauf

Druckluft-eintrittT = 35 °C

Druckluft-austrittT = 27 °C

T = 18 °C

1

54

3

2T = 0 °CT = 0 °C

Abb. 2: Funktionsweise der Kältetrockner

Die wirtschaftliche Kälte-Drucklufttrocknung ist inzwei Phasen unterteilt. In der ersten Phase wirddurch die bereits gekühlte, austretende Druckluft diewarme einströmende Druckluft im Luft-/Luft-Wärme-tauscher gekühlt. Hier fallen bereits ca. 70 % des an-fallenden Wasserdampfes aus. In der zweiten Phasedurchströmt die Druckluft einen Kältemittel-/Luft-Wärmetauscher. Hier findet die Abkühlung auf demgeforderten Drucktaupunkt statt. Der Kondensatab-scheider ist dem Wärmetauschersystem nachge-schaltet. Hier findet die Separation des Kondensatesvon der Druckluft statt.

Integrierte Wärmetauschersysteme, die Luft-/Luft-Wär-metauscher, Kältemittel-/Luft-Wärmeaustauscher undKondensatabscheider in einer Baukomponente inte-grieren, sind durch niedrigere Differenzdrücke gegen-über Einzelverrohrung energieeffizienter.

Abb. 3: Wärmetauscher mit integriertem Kondensatabscheider(Demister)

AdsorptionstrocknerAdsorptionstrockner entziehen der Druckluft die mitgeführte Feuchtigkeit durch das Trockenmittel. Wäh-rend im ersten Behälter die Adsorption stattfindet,erfolgt zeitgleich im zweiten Behälter die Regenera-tion. Es werden Drucktaupunkte zwischen -20 und-70 °C mit Standardprodukten erreicht. Für die Rege-neration stehen unterschiedliche Verfahren zur Ver-fügung. Abhängig von der Regenerationsart erfolgtdie Einteilung in kalt- und warmregenerierte Adsorpti-onstrockner.

KaltregenerationZur Regeneration dieser Adsorptionstrockner wird einTeil der bereits getrockneten Druckluft auf atmosphä-rischem Druck entspannt.+ Einfache Technik+ geringe Investitionskosten– Druckluftverbrauch– hohe Betriebskosten.

Abb. 4: Kaltregeneration

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Fakten DruckluftaufbereitungSeite 3 von 7

WarmregenerationDie Regeneration erfolgt mit erwärmter Umgebungs-luft oder erwärmter Luft aus dem System.

Gebläseregeneration:In der Heizphase fördert ein Gebläse Umgebungsluftdurch die Heizung. Die erwärmte Luft transportiert dieFeuchtigkeit aus dem Trockenmittelbett. Zur Kühlungwird Umgebungsluft und Druckluft verwendet.+ Geringere Betriebskosten durch Heizen mit

Dampf oder elektrischer Energie– Druckluftverbrauch in der Kühlphase.

Warmregeneration ohne Druckluftverbrauch:Durch Modifikation im Aufbau und Verfahrensweisewird das Trockenmittelbett mit Umgebungsluft ge-kühlt. Diese Adsorptionstrockner unterscheidet manin Gebläse-, Saugkühlungs- oder Vakuumregenerati-onsanlagen.+ Geringere Betriebskosten durch Heizen mit

elektrischer Energie oder Dampf+ kein Druckluftverbrauch in der Kühlphase– höhere Investitionskosten– bei hoher Feuchtigkeit in der Umgebungsluft

bedingt einsetzbar.

Kompressorwärme-Regeneration:Beim Einsatz ölfrei verdichtender Kompressoren inKombination mit Adsorptions-trockner wird die bei derKompression entstehende Wärme gezielt für die Re-generation des Adsorptionstrockners genutzt. Druck-taupunkte von -30 °C und besser sind bei geeignetenKompressoren sichergestellt.+ Nutzt die Verdichtungswärme zur Regeneration+ kein Druckluftverbrauch– nur mit ölfreien Kompressoren.

Abb. 5: Warmregeneration

SteuerungAlle kalt- oder warm-regenerierten Adsorptionstrock-ner sind mit einer zeitabhängigen Steuerung ausge-rüstet. Je nach Steuerungsumfang als herstellerspe-zifische Variante oder SPS. Eine optionale Ergän-zung ist die beladungsabhängige Steuerung. AmTrockneraustritt registriert ein Sensor die Änderungdes Drucktaupunktes. Er passt den Zyklus des Trock-ners automatisch an die Lastsituation an. Die bela-dungsabhängige Steuerung kompensiert möglicheTeillastsituationen und reduziert Betriebskosten.+ Minimale Betriebskosten auch im Teillastbetrieb+ kontinuierliche Taupunktmessung zur Qualitäts-

kontrolle.

MembrantrocknerDer Membrantrockner ist eine Ergänzung und Alter-native zu den angestammten Kälte- und Adsorptions-trocknern. Vor allem als Endstellentrockner bei kleins-ten Druckluftmengen, nicht kontinuierlichem Betrieboder Anwendungen ohne elektrische Energie hat sichder Membrantrockner bewährt.

Herzstück dieser Membran-trockner sind Polymer-Hohlfasermembranen, die Wasserdampf leicht hin-durch diffundieren lassen.

FiltrationSie wird eingesetzt, um Verunreinigungen aus derDruckluft hochgradig zu entfernen.

Zu diesen Verunreinigungen zählen hauptsächlich derÖlnebel von ölgeschmierten bzw. öleinspritzgeküh-lten Kompressoren sowie Feststoffverunreinigungenund Kohlenwasserstoffe aus der Umgebungsluft, diedann in der Druckluft in konzentrierter Form enthaltensind. Zur Gewährleistung der heute benötigten Druck-luftqualität ist eine Aufbereitung zwingend erforderlich.

Durch ein gestiegenes Umweltbewusstsein sowieverstärkte Maßnahmen zum Schutze der Gesundheitam Arbeitsplatz werden heute aber auch Anforderun-gen an die Emissionswerte der nach einem Verbrau-cher expandierten Druckluft gestellt, speziell im Be-zug auf Ölnebel, der z. B. direkt aus einem Druckluft-zylinder oder einer Blasedüse an die Umgebungsluftabgegeben wird.

Filter verbrauchen aber auch Energie. Obwohl einemFilter keine eigene Energie zugeführt wird, wird den-noch Energie durch den vom Filter verursachtenDruckabfall (Differenzdruck) verbraucht, die von demvorgeschalteten Kompressor aufzubringen ist. Dabeigilt folgende Regel:

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Fakten DruckluftaufbereitungSeite 4 von 7

Je höher der Filtrationsgrad,d. h. je besser die Reinheit dergefilterten Luft, desto höherder Differenzdruck, d. h. destomehr Energie muss der vor-geschaltete Kompressoraufbringen.

Filter sind also notwendig, kostenaber auch Energie und somit Geld.Wichtig ist es daher, je nach Anwen-dung die richtige Aufbereitungsqua-lität zu wählen. Hilfestellung gibt hierdie ISO 8573-1 oder der Herstellerselbst.

Es macht also durchaus Sinn, sichGedanken darüber zu machen, wel-cher Grad an Druckluftreinheit wirk-lich erforderlich ist, um so individuellden oder die Filter mit dem niedrigstmöglichen Differenzdruck für seineAnwendungen zu wählen. WelcheEinsparpotenziale damit verbundensind, zeigt Abb. 6. Dort ist aufge-zeigt, welche Energiekosten vomKompressor verursacht werden, umden durch einen Filter verursachtenDruckabfall auszugleichen. Die Kos-ten hierfür können mehrere tausendEuro pro Jahr betragen und über-schreiten die Anschaffungs- bzw.Austauschkosten des Elements beiweitem. Durch die Wahl des richti-gen Filters mit dem niedrigst mög-lichen Differenzdruck können folglichenorme Einsparungen erzielt werden.

Ebenso bedeutend ist der rechtzeitige Austausch vonmit Schmutz beladenen und somit im Differenzdruckgestiegenen Filterelementen. Wie in Abb. 7 ersicht-lich ist, steigt der Differenzdruck eines neuen Filter-elementes zunächst sehr langsam an. Je länger dasElement in Betrieb ist, desto schneller steigt der Diffe-renzdruck. Bei einem Nichtwechsel übersteigen dieKosten zur Deckung des zusätzlichen Differenzdru-ckes den Preis eines Austauschelementes mitunterum ein Vielfaches. In der Regel:

Elementewechsel einmal pro Jahr,spätestens bei einem Differenzdruck von350 mbar.

Ausgenommen von dieser Regel sind Aktivkohlefil-terelemente. Dort gilt die Regel:

Standzeit der Elemente max. 1.500Betriebsstunden bzw. 3 Monate, abhängigvon der Eintrittstemperatur und demÖlgehalt mitunter sogar deutlich geringer.

Bleibt zuletzt der Punkt der Betriebssicherheit einesFilters. Dieses Kriterium hängt primär von der Quali-tät der eingesetzten Werkstoffe, der Qualität der Her-stellung und den konstruktiven Eigenschaften desFilters ab. Hier ist individuell der Aufbau der Filter zubewerten. Zusammenfassend die Kriterien für einenFilter:

Filtrationsleistung+ Betriebssicherheit+ Differenzdruck = Gesamtbetriebskosten

Die Summe dieser drei Kriterien bestimmt dann dieGesamtbetriebskosten des Filters, Ausfallkostendurch unzureichende Filtrationsleistung bzw. durchein Versagen des Filters bereits eingeschlossen.

0

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

2250

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5Druckabfall in bar

Jähr

liche

Ene

rgie

kost

en in

Eur

o 110 kW

75 kW

45 kW

30 kW22 kW11 kW

Kom

pres

sorle

istu

ng

Betriebsparameter:6000 BSt./Jahr0,06 Euro/kWh

1 bar ≈ 8 % mehr Energie

Abb. 6: Energiekosten durch Druckabfall

KostenFilter-element 0,3 bar = 85 % Elementkosten

0,5 bar = 145 % Elementkosten

0,2 bar = 60 % Elementkosten

0,4 bar = 115 % Elementkosten

0,6 bar = 170 % Elementkosten

0,7 bar = 200 % Elementkosten

0,1 bar = 25 % Elementkosten

Differenzdruck = BetriebskostenInvestitions-kosten

Betriebszeit

Abb. 7: Typischer Differenzdruckverlauf; Energiekosten in Verhältnis zu Filterelementkosten

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Fakten DruckluftaufbereitungSeite 5 von 7

VorabscheidungDer erste Aufbereitungsschritt in einem Druckluft-system ist die Abscheidung von freiem Kondensat inder Druckluft. An dem Kompressoraustritt wird hierzuein Zyklonabscheider oder ein Druckbehälter ver-wendet. Der Druckbehälter ist hier das einfachsteSystem. Durch die Absenkung der Strömungsge-schwindigkeit und eine Abkühlung der Druckluft ander großen Behälteroberfläche sammelt sich dasKondensat am unteren Behälterboden und kann ab-geleitet werden. Der Zyklonabscheider nutzt mitseinem Wirbeleinsatz die Massenträgheit zur Ab-scheidung. Beide Systeme verbessern die Leis-tungsfähigkeit der Druckluftaufbereitung, da erhebli-che Mengen Kondensat hier abgleitet werden. BeideKomponenten ersetzen keine Drucklufttrocknung, danach diesen Abscheidern die Druckluft mit 100 %Wasserdampf gesättigt ist und durch jede weitereAbkühlung wieder freies Wasser ausfällt.

KondensattechnikEin zwangsläufig anfallendes Nebenprodukt bei jederDrucklufterzeugung ist Kondensat. Dieses Kondensatentsteht durch die in der angesaugten Luft enthalteneLuftfeuchtigkeit. Bei der Verdichtung und damit ver-bundenen Temperaturerhöhung liegt diese Feuchtig-keit zunächst als Dampfphase vor. Da nach der Ver-dichtung nur noch ein Bruchteil des ursprünglichenVolumens vorhanden ist, kommt es zur Übersättigungder Luft. Bei Abkühlung fällt die Luftfeuchtigkeit alsKondenswasser aus. Dieses Kondensat enthält au-

ßer Wasser und Öl weiterhin alle durch den Verdich-ter angesaugten Bestandteile der Umgebungsluft.Diese werden aufkonzentriert und führen zur Konta-mination des Kondensates.

Folgen des Kondensates auf die Druckluftanlage:Kondensat, egal ob ölhaltig oder ölfrei, führt zu star-ken Korrosionsschäden im Leitungsnetz sowie beiden nachgeschalteten Prozessen. Während ölfreieKondensate aufgrund des pH-Wertes mehr säureartigwirken, führen ölhaltige Kondensate mehr zum Ver-harzen und Verkleben. Die geforderte Luftqualität,auch bei geringer Klasse, kann nicht mehr erreichtwerden.

Wo fällt das Kondensat an?Kondensat fällt immer dann an, wenn die Temperaturin der Druckluft den Drucktaupunkt unterschreitet.Das geschieht in Nachkühlern, Kesseln, Zyklonab-scheidern, Filtern, Trocknern sowie in den Leitungs-netzen. Die größten Mengen Kondensat werden amPunkt des größten Temperaturgefälles nach der Ver-dichtung abgegeben.

KondensatableitungAufgrund der hohen Kosten durch Folgeschädenmuss der Kondensatableitung in der Druckluft einsehr hoher Stellenwert zugeordnet werden. Bei derKondensatableitung sind drei Verfahren üblich:

Schwimmersteuerung:Das Kondensat wird in einem Sam-melbehälter aufgefangen. Je nachKondensatanfall öffnet ein Schwim-mermechanismus ein Ventil.+ Geringe Investition– hohe Schmutzempfindlichkeit– keine Überwachungsmög-

lichkeiten.

Zeitgesteuerte Ventile:Ein über eine Zeitsteuerung ge-schaltetes Ventil öffnet in einem fes-ten Intervall.+ große Öffnungsquerschnitte+ auch in Hochdruckversion

verfügbar– Druckluftverlust– hoher Energieaufwand– keine Überwachungs- und

Funktionskontrolle.

Kondensatanfall je10 Normkubikmeter im

Winter

Sommer

Frühjahr/Herbst

25 g/m³

ZyklonabscheiderNachkühler

28 g/m³53 g/m³

Kessel

3,5 g/m³6 g/m³

9,5 g/m³

Filter

- -2 g/m³3 g/m³

Druckluft-Kältetrockner

3,5 g/m³9,5 g/m³21,5 g/m³

Abb. 8: Kondensatanfall nach Jahreszeiten

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Fakten DruckluftaufbereitungSeite 6 von 7

Abb. 9: Zeitgesteuertes Ventil

Elektronisch niveaugeregelte Ableiter:Ein im Kondensatsammelraum befindlicher Sensorleitet bei Erreichung eines Sollwertes die Entleerungdes Kondensatableiters ein.

Abb. 10: Niveaugeregelter Ableiter

+ Energiesparen+ keine Druckluftverluste+ Störmeldungen und Alarmfunktionen.

KondensataufbereitungKompressorenkondensat ist im Sinne des Gesetzge-bers ein besonders überwachungsbedürftiger Abfall.Für die Aufbereitung der Kondensate stellt der Ge-setzgeber zwei Möglichkeiten zur Wahl. Entweder diesachgerechte Entsorgung durch legitimierte Fachfir-men, oder eine Aufbereitung vor Ort mit geeigneterund zugelassener Kondensataufbereitungstechnik.Kondensate liegen entweder als disperses Öl-Was-sergemisch oder stabile Emulsion vor. In der Praxishaben sich die folgenden Verfahren durchgesetzt.

Statische Öl-Wasser-Trennsysteme:Bei diesem Verfahren wird das Kondensat in einemTrennbehälter einer definierten Verweilzeit ausge-setzt. Die leichteren Ölbestandteile steigen auf undsetzen sich an der Oberfläche ab. Feine Restbe-standteile und sonstige Substanzen werden in einernachgeschalteten Aktivkohlestufe ausfiltriert. DiesesVerfahren ist immer dann ausreichend, wenn dasKondensat in disperser Form vorliegt.+ Einfaches System+ schnelle Amortisierung.

Abb. 11: Statisches Öl-Wasser-Trennsystem

Emulsion-Spaltanlagen auf Adsorptionsbasis:Bei diesem Verfahren wird dem vorgereinigten Kon-densat ein Reaktionstrennmittel auf Tonerdebasiszugefügt. Im Trennmittel enthaltene Elektrolyte bre-chen die Öl-Wasser-Bindung auf und spalten somitdie Emulsion. Die Ölsubstanzen und sonstigen Be-standteile des Kondensates werden von der Tonerdeadsorbiert und aus dem Wasser ausfiltriert. Nur derentstandene Reststoff wird der Entsorgung zugeführt.

Ultrafiltration:Bei der Ultrafiltration wird das Kondensat im Kreislaufunter Druck durch eine Membrane mit definierterPorenweite filtriert. Dabei werden die Ölbestandteilezurückgehalten und aufkonzentriert, während dasWasser gereinigt wird. Das Wasser wird auch hierohne eine weitere Filtration dem Abwassersystemzugeführt. Das Emulsionskonzentrat wird der Entsor-gung zugeführt.

In jedem Fall muss beim Kauf von Geräten und Aus-tauschteilen auf die bauaufsichtliche Zulassung ge-achtet werden, da ansonsten eine kostspielige Ein-zelabnahme der Geräte durch die örtlichen Behördendurchgeführt werden muss.

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Fakten DruckluftaufbereitungSeite 7 von 7

FazitDruckluftaufbereitung in Druckluftnetzen ist heuteStand der Technik. Die Grundanforderung an dieseAufbereitungstechnik ist die zuverlässige und hoch-gradige Beseitigung von prinzipbedingten Verunreini-gungen und Feuchtigkeit aus der Druckluft. DieseVerunreinigung führt zu Qualitätsminderungen undStörungen bis hin zum Produktionsausfall oder derUnbrauchbarkeit von Produkten. Wie aufwendigdiese Aufbereitung sein muss und welche Betriebs-kosten dafür aufzuwenden sind, kann durch einenVergleich der am Markt befindlichen Produkte und dieAuswahl der am besten für eine Anwendung geeig-neten Systeme deutlich beeinflusst werden.

Im Bereich der Druckluftaufbereitung gilt es vor allemdie optimale Qualität zu erreichen. Energie- und be-triebskostenoptimal ist es, die Anforderung der An-wendung zu erfüllen. Über- und Unterschreitungendieser Anforderung erfordern erhöhte Betriebs- oderEnergiekosten. Abb. 12 und 13 geben einen Über-blick, mit welcher Reihenfolge und Auswahl von Auf-bereitungsprodukten entsprechende Druckluftqualitäterreicht werden kann.

Das vorhandene Einsparpotenzial liegt dabei pro Teil-komponente bei bis zu mehreren Tausend Euro.Speziell durch den regelmäßigen Wechsel der Filter-elemente innerhalb der vorgeschriebenen Intervallewerden deutliche Einsparungen erzielt und somit dieBetriebskosten minimiert.

Die ernsthafte Auseinandersetzung mit der installier-ten oder neu zu planenden Druckluftanlage ist eineInvestition, die sich mitunter sehr schnell amortisierthat.

Restöl

0

0

00

1

3

4

4

Partikel

0-1

0-1

0-10-1

0-1

2

3

4

Druckluftqualitätsklassennach ISO 8573-1

Feuchte verunreinigte LuftZentral getrocknete Luft

4

4

44

4

4

7

7

KompressorBehälter Kälte-

trocknerTF AK OF

T(S)F

T(S)FTFAF

TF

OF

AF = AktivkohlefilterAK = AktivkohleadsorberOF = OberflächenfilterTF = TiefenfilterT(S)F = Tiefen-(Steril-)Filter

Rest-wasser

Abb. 12: Druckluftqualitäten bei Einsatz von Kältetrocknern

0-1

2

1

1

2

Partikel

0

0

1

1

1

Restöl

0-3

0-3

0-3

0-3

0-3

Rest-wasser

Druckluftqualitätsklassennach ISO 8573-1

Feuchte verunreinigte LuftZentral getrocknete Luft

KompressorBehälter

Adsorptions-trocknerTF AK OF

T(S)F

T(S)F

TF

OFAK = AktivkohleadsorberOF = OberflächenfilterTF = TiefenfilterT(S)F = Tiefen-(Steril-)Filter

Abb. 13: Druckluftqualitäten bei Einsatz von Adsorptionstrocknern

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

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Fakten

DruckluftverteilungEnergieeinsparung bei derDruckluftverteilungEine optimale Druckluftverteilung ist eineEnergieleitung wie ein Stromkabel, die möglichstverlustfrei Druckluftenergie transportiert, d. h. mitgeringster Reduzierung• des Fließdruckes (Druckabfall durch Leitungseng-

punkte)• der Luftmenge (Leckagen) und• der Luftqualität (Rost, Schweißzunder, Wasser etc.)

LeitungsführungIn der Praxis werden Druckluftleitungen (Haupt- undZuführungsleitungen) häufig aus Unkenntnis undunter Außerachtlassung von energetischenGesichtspunkten ausgewählt, mit dem Ergebnis, dassin 80 von 100 Betrieben (EU-Studie) oft 50 % undmehr der Druckluftenergie vernichtet werden, bevorsie zu den Verbrauchern gelangt.

Die richtige Planung eines Netzes hat direkten Ein-fluss auf die Leistung der Maschinen und die Kostender Druckluftproduktion. Suchen Sie den richtigenDurchmesser unter Berücksichtigung des ge-wünschten Volumenstroms und des zulässigenDruckabfalls aus. Der Druckabfall vom Druckluftbe-

hälter zur Kupplung an der Wandscheibe sollte0,1 bar nicht übersteigen. Bei optimal ausgelegtenDruckluftnetzen unterteilt man den Druckabfall in:

≤ 0,03 bar für die Hauptleitung≤ 0,03 bar für die Verteilerleitung≤ 0,04 bar für die Anschlussleitung≤ 0,3 bar für das Anschlusszubehör.

Genauso wie die Wirtschaftlichkeit derVerdichter dokumentiert ist, sollte auch dieLeistungsfähigkeit der Druckluftverteilungdokumentiert sein – das Fehlen einerDokumentation führt immer zur Energie-vergeudung.

Hauptleitung (HL):Sie verbindet die Erzeugerstation (Kompressoren-raum) mit dem Verteilernetz. Die Hauptleitung sollteso dimensioniert sein, dass für zukünftige Erweite-rungen Reserven vorhanden sind.

Verteilerleitung (VL):Sie verteilt die Luft innerhalb eines Verbraucherab-schnittes. Sie kann als Stich- oder Ringleitung bzw.als Ringleitung mit integrierten Stichleitungen ausge-legt werden.

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Fakten DruckluftverteilungSeite 2 von 4

Anschlussleitung (AL):Sie ist die Verbindung zwischen Verteilung und Ma-schinen- oder Anlagenzapfstelle. Die Anbindung derAnschlussleitung an der Verteilung soll nach obenaus der Verteilung geführt werden, um zu vermeiden,dass Kondensat mit der Luft austritt.

Anschlusszubehör:Diese Systemkomponenten sind häufig die kritischenPunkte eines Systems und bedürfen ebenfalls großerAufmerksamkeit. Kupplungen, Schläuche, Spiralenoder Wartungseinheiten führen häufig wegen falscherAuslegung zu eklatanten Energieverschwendungen.Zusätzlich finden sich hier auf kurzem Raum vieleVerbindungen, die leckagebehaftet sein können.

Begriffserklärungentscheidender Faktoren

Fließdruck

Trotz jahrzehntelanger Aufklä-rungsarbeit der Hersteller wird dieMehrzahl aller Druckluftwerkzeu-ge nur mit einem Fließdruck zwi-schen 3 und 5 bar beaufschlagt,das sind 1-3 bar zu wenig. DieManometer an den Reglern undWartungseinheiten vor den Werk-zeugen zeigen den statischenDruck an. Doch nicht der treibt dieWerkzeuge an, sondern der dy-namische, der Fließdruck.

Weitere Beeinträchtigungen desFließdruckes entstehen durch zugeringe Rohrquerschnitte undverwinkelte Rohrführungen. Beider Auslegung müssen des weite-ren für alle Verbinder die entspre-chenden äquivalente Längen miteingeplant werden.

Luftmenge

Bei über Jahre „gewachsenen“ Druckluftverteilungs-systemen aus unterschiedlichsten Werkstoffen, ver-schiedenen nicht optimalen Durchmessern, mehroder weniger korrosionsfesten Materialien und unter-schiedlichsten Verbindungsarten, kann die Leckage-rate zwischen 25 und 35 % liegen. Leckagen kostenviel Geld. Sie sind die fleißigsten Verbraucher, die365 Tage im Jahr arbeiten.

Luftqualität

Wünschenswert sind korrosions- und oxydationsfestePremium-Rohrsysteme, die speziell für Druckluftan-wendungen entwickelt wurden. Ein System sollte sogewählt sein, dass die durch die Erzeugung und Auf-bereitung erzeugte Luft durch die Rohre auch nachlanger Zeit nicht in ihrer Qualität beeinträchtigt wird.

HL = HauptleitungVL = VerteilerleitungAL = Anschlussleitung

HLNL = 100 mPe = 6 barQ = 200 l/s∆p = 0,03 bar

Ø i = mm

KompressorHL

VL

∆p < 0,9 bar

VL

AL

NL = 10 mPe = 6 barQ = 25 l/s∆p = 0,04 bar

Ø i = mm

Ø i = mm

bar030p

sl1002Q

bar6Pe

m1502

NL

,

/

=∆

=

=

=

Abb. 1: Benennung der Leitungssegmente

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Fakten DruckluftverteilungSeite 3 von 4

Fließdruck amWerkzeug

(Pe bar)

Luft-verbrauch

% Maßnahme8,0 125

7,0 111} Regler

drosseln Energievergeudung

6,3 bar 100 % optimale Leistung6,0 96

5,0 77

4,0 61

3,0 44

} Druckerhöhen

überproportionalerProduktivitäts-rückgang

Tab. 1: Beziehung zwischen Fließdruck und Luftverbrauch

Luftverlust Energieverlust KostenLoch-durch-messer

mmbei 6 bar

l/sbei 12 bar

l/sbei 6 bar

kWhbei 12 bar

kWhbei 6 bar

€bei 12 bar

1 1,2 1,8 0,3 1,0 144 480

3 11,1 20,8 3,1 12,7 1.488 6.096

5 30,9 58,5 8,3 33,7 3.984 16.176

10 123,8 235,2 33,0 132,0 15.840 63.360

(*) kW x 0,06 € x 8.000 Bh/a

Tab. 2: Jährliche Energiekosten durch Leckage

Rohrinnen-Durch-messer

Druckabfall Investitions-kosten

Energiekosten zurKompensation desDruckabfalls

1. 90 mm 0,04 bar � 10.000 € � 150 € p. a.2. 70 mm 0,2 bar � 7.500 € � 600 € p. a.3. 50 mm 0,86 bar � 3.000 € � 3.270 € p. a.

Tab. 3: Folgekosten durch zu geringe Durchmesserwahl

Speicherung

Ein weiterer Einflussfaktor für die Luftqualität und dieLuftmenge ist die Speicherung der Druckluft. Druck-luftspeicher direkt nach der Erzeugung, auch "zentra-le Speicherung" genannt, beeinflussen die Luftqualitätinsoweit, als das direkte Kondensat abgeschiedenwird. Des Weiteren wird durch einen Speicher dieMöglichkeit geboten, eine wesentlich größere Luft-menge innerhalb kurzer Zeit anzufordern, als dies derKompressor schlagartig leisten könnte. Hier gibt es –je nach Einsatzfall im Betrieb – auch die Möglichkeit,"dezentrale Speicher" direkt am Verbraucher einzu-setzen. Weitere Informationen zum Thema Speiche-rung von Druckluft finden Sie auch in den „Drucklufteffizient“-Fakten Steuerung und Aufbereitung.

Kosten

Bei Vergleichen der Investitionskosten sollten Materi-al und Montagekosten der verschiedenen Rohrsys-teme verglichen werden, da es keine allgemeingültigeFormel für das „richtige Rohrmaterial“ gibt. Dahersollte der individuelle Bedarfsfall mit seiner jeweiligentechnischen Anforderung im Vordergrund stehen.

Bis auf Edelstahl liegen die Kosten unterschiedlicherRohrwerkstoffe nicht so weit auseinander, so dassbei den jährlichen Abschreibungsbeträgen die Unter-schiede so gering sind, dass sie negiert werden kön-nen.

Entscheidend ist aber auch die Wahl der richtigenNennweite. Hier entstehen bei zu geringen Durch-messern erhebliche Folgekosten. Wer hier bei denAnschaffungskosten spart, muss bei den Folgekostentief in die Tasche greifen (s. Tab. 3).

Sanierung im Bereich der DruckluftverteilungGenerell sollte aus wirtschaftlichen und ökologischenGründen nicht lange mit einer Leitungskontrolle ge-wartet werden. Doch auch dabei sollte Schritt fürSchritt vorgegangen werden, und blinder Aktionismusvermieden werden.

Große Einsparpotenziale in der Druckluftverteilungkönnen auf Basis einer schnellen Grobdiagnose wiefolgt ermittelt werden:• Luftqualität• Leckagen• Druckabfällen

Entspricht die Luftqualität den Anforderungen?Dies ist neben der Art der Druckluftaufbereitung vorallem auch eine Frage, ob das Leitungssystem korro-sionsfest ist. Entspricht die Luft an den Verbrauchernnoch den (produzierten) Werten am Ausgang derErzeugung? Ölkohleablagerungen/Wasseranfall, Rostoder Zinkgeriesel (wenn auch nur in Teilbereichen)machen oft neben einer zentralen Druckluftaufberei-tung zusätzlich teure Wartungseinheiten an jederEntnahmestelle erforderlich.

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Fakten DruckluftverteilungSeite 4 von 4

Weist das System Leckagen auf?

Durch eine Lastaufzeichnung der Kompressoren, diedann mit den vorhandenen Abnahmen verglichenwird, kann die Leckagemenge bestimmt werden.Dringend zu berücksichtigen ist hierbei aber, dasssowohl bei „geöffneten“ wie auch „geschlossenen“Verbrauchern gemessen wird, da Leckagen am An-schlusszubehör und in den Maschinen diese Mes-sungen verfälschen könnten.

Unter „Leckagen“ könnte man auch die Folgen vonÜberverdichtungen in der Auswirkung an den Werk-zeugen betrachten. Ein Werkzeug, das 6 bar benö-tigt, aber mit 7 oder 8 bar beaufschlagt wird, vergeu-det erhebliche zusätzliche Luftmengen.

Wie hoch ist der Druckabfall?Dieser kann durch zu enge Querschnitte entstehen.Bei „gewachsenen“ Netzen wurden im Laufe der Zeitimmer mehr Verbraucher an immer längere Haupt-leitungen angeschlossen, ohne das diese den Anfor-derungen entsprechend neu dimensioniert wurden.Eventuell wurde sogar nur die Kompressorenleistungerhöht. Nach Vorlage der Diagnose, unter Berück-sichtigung aller drei Kriterien, kann eine wirtschaftlichsinnvolle Sanierung festgelegt werden: Entweder sindTeilbereiche zu sanieren oder bei Zusammentreffenaller Negativerscheinungen ist möglicherweise unterKosten-/ Nutzengesichtspunkten ein neues Netz diewirtschaftlichste Lösung. Solche Sanierungen kostenoft erheblich weniger als die jahrelange Energiever-geudung – die Amortisationszeiten sind sehr kurz.

Ein wirtschaftliches Konzept kann von jedem Druck-luftfachbetrieb erstellt werden!

Oftmals ist eine akribische Betrachtung deskompletten Systems, von der Erzeugungund Aufbereitung über die Verteilung bishin in die Mechanismen der Maschine,durch Messungen ein (zeit-)aufwendigesMuss, welches sich aber schnell und aufDauer für einen Betrieb – gleich welcher Artund Größe – gewinnbringend auszahlt.

Der Pflege der teuersten Energiequelle, diezudem produktionsentscheidend ist, solltedie Sorgfalt entgegengebracht werden, diees auch tatsächlich verdient !!!

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.

Atlas-Copco BEKO Technologies BOGE Kompressorendomnick-hunter Energieagentur NRW Gardner Denver WittigGASEX Gebr. Becker Ingersoll-RandKaeser Kompressoren Legris – TRANSAIR METAPIPESchneider Druckluft systemplan, Karlsruhe Thyssen Schulte – MULTIPLASTultra air ultrafilter International ZANDER Aufbereitungstechnik

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

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GesamtsystemoptimierungStationen der Optimierungsbetrachtung:

1. Bestandsaufnahme: Beurteilung des Ist-Zustands

2 Engineering – Konzeption3. Gesamtsystembetrachtung4. Schnittstellenreduzierung5. Wirtschaftlichkeit der Drucklufterzeu-

gung6. Systemnachführung – Systemoptimie-

rung7. Outsourcing der Druckluftversorgung8. Organisatorische Änderungen.

Die Optimierung von Komplettsystemen ist im Zeital-ter der Rationalisierung in Industrieanlagen auch inder Drucklufttechnik ein sehr wichtiges Werkzeug zurEffizienzsteigerung.

Erscheint es zu Beginn einer Betrachtung meist, alswäre in den vergangenen Jahrzehnten die Planungund Projektierung der entsprechenden Druckluftanla-ge und eventueller Erweiterungen zu kurz gekom-men, so erweist sich die Problematik bei nähererBetrachtung doch als vielschichtiger. So fiel bei-spielsweise in der Vergangenheit die Druckluftanlage

oftmals in die Zuständigkeit von gänzlich „technikfer-nen“ Abteilungen und wurde dort so „nebenbei“ mit-betreut. Dieser „Wildwuchs“ wurde noch durch denVorteil der Druckluft „Ihrer Unfallsicherheit“ gefördertbzw. verstärkt. Dass die Druckluft eine der teuerstenEnergien ist, wurde dabei oftmals aus den Augenverloren.

Durch die Betrachtung des Gesamtsystems mit sei-nen vielfältigen Stellschrauben sind, teilweise mitgeringem Aufwand, ganz beachtliche Einsparungenzu erzielen. Hierbei gibt es aber einige Dinge zu be-achten, wobei hier die Lieferung von Denkanstößenund Hilfestellungen für die Praxis im Vordergrundsteht.

Im Folgenden werden einige Möglichkeiten der Anla-genoptimierung im Rahmen einer Gesamtsystembe-trachtung dargestellt.

Bestandsaufnahme:Beurteilung des Ist-Zustands

Das Druckluftsystem besteht aus denBereichen:���� Erzeugung���� Aufbereitung���� Verteilung���� und zugehörige Verbraucher.

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Fakten GesamtsystemoptimierungSeite 2 von 4

Zur Beurteilung des Anlagenzustandes sollte durchdie Aufnahme des Anlagen-, Raum- und Rohrsche-mas ein erster Überblick über den Ist-Zustand derAnlage gewonnen werden. Mit Hilfe der zur Verfü-gung stehenden Messtechnik (Abb. 1), können dierelevanten Parameter wie Volumenstrom, Fließdruck,Druckluftqualität (Temperatur, Feuchte, Druck) auf-genommen werden. Zusätzlich können alternativWerte für die Stromaufnahme der Verdichter (Last-/Leerlaufmessungen), mit anschließender Darstellungvon Lastprofilen oder der Messung von Leckage-mengen vorgenommen werden (siehe dazu die FaktenMesstechnik).

Abb. 1: Messtechnik

Gerade auf die vorherrschenden Druckverhältnissemuss dabei ein starkes Augenmerk gelegt werden.Oftmals ist der wichtigste Abnehmer am letzten Endedes Netzes (eventuell sogar über eine Stichleitungversorgt) angeordnet und damit bestimmend für denErzeugungsdruck der Station. Teilweise wird auch eine„historisch entwickelte Druckhöhe“ gefahren, die imWesentlichen aus Netz- und Anlagenerweiterungenentstanden ist, die bei näherer Betrachtung und zumTeil durch geringe Änderungen im Netz, z. B. durchRingschlüsse reduziert werden können.

Aus den zuvor genannten Einzelmessungen könnenwertvolle Informationen zum Anlagenzustand (z. B.Zu- und Abluftprobleme, Überlastung von Aufberei-tungseinheiten, Kühlung usw.) gewonnen werden. Zuüberprüfen sind in diesem Zuge auch die Vorgabenfür die benötigte Druckluftqualität. Alle Forderungen,die vom üblichen Standard (ölgeschmierte Luft mitKältetrockner aufbereitet, mit einfachem Filter mit1 µm Partikelgröße und 1 mg/m³ Restölgehalt, Druck-taupunkt +3 °C) abweichen, erfordern zusätzlicheInvestitionen und Betriebskosten durch dann notwen-dige Aufbereitungsmaßnahmen (siehe die FaktenAufbereitung).

Sobald die Anforderungen an die Menge, Druckluft-qualität und erforderlicher Verfügbarkeit und der da-mit verbundenen Redundanz geklärt sind, kann der

Anlagenbestand darauf hin geprüft werden, was fürden weiteren Betrieb der Anlage hinsichtlich Zustand,Altersstruktur, Energieeffizienz usw. noch weiterge-nutzt werden kann.

Für die Beurteilung des nachgeschalteten Druckluft-netzes ist es sinnvoll, im Rahmen einer Leckagebe-trachtung die auftretenden Netzverluste, die im Nor-malfall zwischen 15 und 40 % (Erfahrungswerte)liegen werden, zu beziffern.

Die Erfassung der Leckagen kann entweder über dieNachspeisung des Netzes bei Betriebsstillstand oder,sofern dies nicht möglich ist, während des Betriebesaus den gemessenen Druckkurven errechnet werden.Hierzu ist ein mathematisches Auswerteverfahrenverfügbar. Zur Abschätzung des Leckagepotenzialsist bei laufendem Betrieb ebenfalls die Leckagedetek-tion mittels Ultraschalltechnologie hilfreich.

Ein weiterer Aspekt stellt die übergeordnete Steue-rung von mehreren Verdichtern in einer Station unddamit in einem Netz dar. Hier sind insbesondere inden letzten Jahren mit der integrierten Prozessor-technik sehr große Innovationen am Markt verfügbar,so dass eine separate Betrachtung der Steuerungund Leittechnik auf jeden Fall Sinn macht.

Nach aktuellen Untersuchungen werden Leerlaufzei-ten, beispielsweise bei ungeregelten Schraubenver-dichtern von bis zu 30 % und elektrischer Leistungs-bedarf im Leerlauf von ebenfalls 30 % der Antriebs-leistung als Ansatzpunkte für eine mögliche Optimie-rung in Verbindung mit dem Einsatz modernsterSteuerungs- und Regelkonzepte angeführt. (Siehedie Fakten Steuerung.)

Die Bestandsaufnahme sollte durch einen detaillier-ten Bericht, über sämtliche durchgeführte Arbeitenund Vorgänge mit entsprechender Bebilderung undDarstellung von Messkurven, P&IDs (evtl. durchge-führter Potenzialanalysen), sowie der Erarbeitung vonOptimierungsvorschlägen abgeschlossen werden.

Engineering – KonzeptionBei der Umsetzung der aus der Bestandsaufnahmeerlangten Kenntnisse muss ein ganz besonderesAugenmerk auf die Gesamtkonzeption, (gewisser-maßen ein Blick über den Tellerrand hinaus) gelegtwerden:

Die Rahmenparameter, wie z. B. die Einhaltung dergesetzlichen Vorschriften und eines evtl. vorhandenenEntsorgungskonzepts (z. B. für Kondensat) müssenzwingend eingehalten werden.

Das Energiekonzept ist nicht als abgeschlosseneEinheit zu betrachten, sondern muss in Verbindungmit einer evtl. möglichen Wärmerückgewinnung undSynergieeffekten anderer benötigter Energien, wiez. B. Stickstoffbedarf betrachtet werden. Ferner

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Fakten GesamtsystemoptimierungSeite 3 von 4

kommt es bei Erweiterungen, Erneuerungen undNeuerrichtungen darauf an, dass schon bei der Aus-wahl der einzelnen zum Einsatz kommenden Kom-poneten einschließlich Redundanzen, richtig, im Sin-ne des Gesamtkonzeptes, ausgewählt wird.

Anhand moderner integrierter Leittechnik (StichworteTele-Service, Fernüberwachung und Fernsteuerung)kann die Verfügbarkeit der Anlage deutlich erhöhtwerden. Dabei ist i. d. R. die größte Verdichtereinheitabzusichern bzw. für diese die entsprechende Anla-genredundanz bereitzustellen. Eine entsprechendeAusfallsicherheit kann durch geschickte Verschaltungdes Verteilnetzes (Vermaschung) erzielt werden.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Gesamtkonzepti-on des Wartungs- und Servicekonzeptes, die ganzwesentlich die anfallenden Folgeaufwendungen mit-bestimmt.

GesamtsystembetrachtungBei der Betrachtung beispielsweise der betrieblichenMesstechnik muss ein sehr starkes Augenmerk aufden sinnvollen Einsatz der Technik gelegt werden. Esist festzulegen, welche permanenten Messungen vonz. B. Energieaufnahme, Leckageüberwachung, Druck-verluste, spez. Gesamtleistung zur Systemüberwa-chung neben den „normalen“ Betriebsmessungen wieVolumenstrom, Druck und Drucktaupunkt vorge-nommen werden sollen. Dabei ist entsprechend derMaßnahmen sinnvollerweise eine Kosten-Nutzen-Analyse aufzustellen.

Hinsichtlich einer möglichen Steuerung gilt es zuprüfen, ob eine automatische Regelung bzw. einestufenlose Regelung installiert werden sollte (siehedie Fakten Steuerung).

Anmerkung: Gemäß der EU-Studie „Compressed AirSystems in the European Union“ ist durch den Ein-satz von effizienten und übergeordneten Steuerun-gen ein Energieeinsparpotenzial von ca. 20 % reali-sierbar.

SchnittstellenreduzierungEin weiterer wichtiger Punkt stellt auch die Überprü-fung der organisatorischen Einordnung der Druckluft-anlage dar. Hierbei sollte überprüft werden, ob essinnvoll ist, die Druckluftstation in eine eigene organi-satorische Einheit zu überführen. Ein großer Vorteilist dabei die Kostentransparenz und damit verbundeneine bessere Kostenkontrolle. Bisher wurde dieDrucklufttechnik bewusst oder unbewusst auf ver-schiedene Konten gebucht, wodurch eine Überprü-fung der angefallenen Kosten nur noch sehr schwermöglich war.

Dies ändert sich dann, wenn zur weiteren organisato-rischen Verbesserung ein Projekt- und damit Kosten-verantwortlicher eingesetzt wird.

Bei der Durchführung von Wartungs- und Instand-haltungsmaßnahmen ist die langfristige Planbarkeitder Arbeiten von Vorteil. Dabei sollten in der Praxisdie notwendigen Checklisten und Wartungsplänefrühzeitig erstellt werden, um damit die lückenloseWartung der Anlagenteile zu gewährleisten (StichwortStörungsmanagement).

Abb. 2: Druckluftanlage

Wirtschaftlichkeit der Druckluft-erzeugungZur Feststellung der Wirtschaftlichkeit können die m³-Kosten als Kennzahl für Energie/Wartung/Kapitalherangezogen werden. Die Bestimmung der Kompo-nenten durch die spezifische Leistung und Service-kosten ist ebenfalls möglich. Der Quervergleich mitanderen Verbrauchern bzw. Projekten mit anschlie-ßenden Optimierungsvorschlägen ist zu empfehlen.

Nach diesen Bewertungen sollte die Abschätzung desPotenzials unter Einbeziehung der Berechnung derzusätzlichen internen Kosten, der Betrachtung derInvestitionskosten, der Bestimmung der Ersatzinvesti-tionen, der Berücksichtigung der Betriebskosten undder Berechnung der Wartungs- und Instandhaltungs-kosten erfolgen.

Als nächster Schritt ist die Durchführung der Bilanzie-rung der Druckluftanlage zu empfehlen. Dazu gehö-ren die Ermittlung der spez. Kennzahlen, des Wir-kungsgrades, samt zugehöriger Netzparameter.

Eine weitere Steigerung der Energieeffizienz kannz. B. über eine Untersuchung der Möglichkeiten derWärmerückgewinnung erzielt werden. Ferner mussein wesentliches Augenmerk bei der Systemoptimie-rung auf die missbräuchliche Verwendung der Druck-luft, wie z. B. das Kühlen der Mitarbeiter an heißenTagen usw. gesehen werden. Hierbei geht es um dieSensibilisierung des Personals für die Thematik.

Schließlich folgt die Umsetzung von erzielten Ver-besserungen in die Praxis.

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Fakten GesamtsystemoptimierungSeite 4 von 4

Systemnachführung –SystemoptimierungDazu ist es notwendig, die Grundsatzuntersuchungenwie Überprüfung der Energieeffizienz mit Alternativenund der Untersuchung vorhandener Energieformenwie z. B. von Kraft-Wärme-Kopplung durchzuführen.Verbunden damit ist aber die allgemeine Betrachtungder vorhandenen Betriebs- und Aufstellungsbedingun-gen und der Wartungsfreundlichkeit.

Es genügt nicht, das System nur einmalig zu optimie-ren. Vielmehr ist es notwendig, das System regel-mäßig an die sich ändernden Anforderungen aus derPraxis (Verbräuche, Netzdrücke usw.) anzupassen.Verursacht werden die Veränderungen im Netz durchnicht zentral koordinierte Umbaumaßnahmen. Es istdaher sehr wichtig, dass interne Netzveränderungenmelde-, besser noch genehmigungspflichtig seinmüssen.

In der Praxis haben sich in der Vergangenheit auchimmer wieder verschiedene Kontrollmechanismen,wie beispielsweise die Kostenkontrolle und Systemezur Leistungserhaltung bewährt. Ein gutes Werkzeugist die Prognostizierung des Systems, in der das Ver-hältnis der heutigen gegenüber der zukünftigen An-forderungen betrachtet werden.

Outsourcing der DruckluftversorgungHier muss das Für und Wieder sorgfältig abgewogenwerden. Für das Outsourcen der Drucklufttechnikspricht eine Garantie des Contractors auf die Ener-gieaufnahme pro Nm³ Druckluft. Damit steht es imInteresse des Contractors, dass die Anlage effizientläuft. Zusätzlich ist eine fachkompetente Betreuungder Anlage gewährleistet und das eigene Personalkann von artfremden Aufgaben entlastet werden.

Dagegen spricht, dass die Kernkompetenzen für dieDruckluftoptimierung, für die Planung von Druckluft-Neuanlagen und für die Wartung der Druckluftanla-gen beim Kunden verloren gehen. Bei Wiedereinbin-dung der Druckluftanlagen müssen die Kompetenzenneu aufgebaut werden. (Siehe hierzu den Contrac-ting-Leitfaden.)

Organisatorische ÄnderungenHierbei hat sich in der Praxis gezeigt, dass im Allge-meinen die Wertschätzung durch die Geschäftsführungfür die Druckluftanlagen fehlt. Für diesen Umstandsind die Zuständigen größtenteils aber selbst verant-wortlich, da sie wichtige Vorgänge in der Druckluftan-lage nicht an die Geschäftleitung weitergeben unddamit ein „Mauerblümchendasein“ führen.

Die Personalsituation muss beleuchtet werden. Nöti-genfalls muss das Personal für die entsprechendenAufgaben geschult werden. Eine weitere Möglichkeitist auch die Einsetzung eines Druckluft-Beauftragten.

FazitNeben dem Einsatz energieeffizienter Einzelkompo-nenten bei der Erzeugung, Aufbereitung, Verteilungund Nutzung der Druckluft kommt der optimalen Ab-stimmung aller Komponenten untereinander einebesondere Bedeutung zu. Die Summe effizienterKomponenten führt nicht zwangsläufig zu einem ver-nünftigen Gesamtergebnis. Das vorhandene Optimie-rungspotenzial ist dabei beträchtlich.

Hier ist sicher häufig professionelle Hilfe von außenerforderlich, es kommt jedoch auch darauf an, dierichtigen Fragen im Projektvorlauf, bei der Planungund Ausführung zu stellen.

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

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DruckluftwerkzeugeWas „vor“ dem Werkzeug kommtDie Druckluft als Energiequelle für Werkzeuge hatstarken Einfluss auf die Effizienz der Arbeit, die mitdem Werkzeug verrichtet wird.

Maßnahmen am Arbeitsplatz zur Optimierung derDruckluftversorgung des Werkzeugs können oft zudeutlicher Produktivitätserhöhung und Senkung derEnergiekosten beitragen.

Wesentlich für die Effizienz ist eine korrekt ausge-legte Gesamtanlage, vom Kompressor bis zumWerkzeug. Viele Anlagen sind „gewachsene“ Gebil-de, deren ältere Komponenten den aktuellen Gege-benheiten nicht immer angepasst wurden. Falschdimensionierte oder zu lange laufende Kompressorenverursachen ebenso hohe Kosten, wie Leitungsver-luste und Leckagen (s. auch „korrekter Arbeitsdruck“)

Nähere Informationen zur Auslegung der einzelnenKomponenten und zu Abstimmung aufeinander fin-den Sie in den Fakten „Erzeugung“, „Steuerung“ und„Verteilung“.

Massive Produktivitätsverschlechterung durch zugeringen Arbeitsdruck!Druckluftwerkzeuge sind auf einen bestimmten Ar-beitsdruck ausgelegt (üblich 6,3 bar). Zu beachten ist,dass es sich dabei um Fließdruck handelt und nicht

um den – oft an der Wartungsstation angezeigten –statischen Druck.

Der Fließdruck kann entweder durch ein beim Arbei-ten vor das Werkzeug geschalteten Manometer oderdurch ein Werkzeugsimulator gemessen werden. DasUnterschreiten des optimalen Arbeitsdruckes führt zuverminderter Leistung des Werkzeuges. Als Beispielhier der Materialabtrag einer Winkelschleifmaschine:

Arbeitsdruck in bar Materialabtrag in kg/h6,3 5,55,8 4,55,3 4,0

Das Beispiel zeigt, dass bereits ein um 0,5 bar zuniedriger Arbeitsdruck zu einer deutlichen Senkungder Produktivität führt. Doch nicht nur die notwendigeArbeitszeit erhöht sich, sondern auch die Energie-kosten.

Zwar sinkt der Luftverbrauch pro Zeiteinheit, aberauch hier kommt die längere Arbeitszeit zum Tragen.

BeispielAm Beispiel einer Bohrmaschine – wie in Abbildung 1dargestellt – sollen die Gesamtkosten aufgezeigtwerden.

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Fakten DruckluftwerkzeugeSeite 2 von 3

Arbeitsdruck in bar Bohrzeit Beispiel in s

6,3 2,0

5,8 3,2

Abb. 1: Bohrmaschine mit Wartungseinheit und Zuleitung

Das bedeutet, dass sich die reine Bohrzeit durch dengeringeren Druck um 60 % (!) erhöht. Dabei ist einum 0,5 bar zu geringer Arbeitsdruck keineswegs dieAusnahme, sondern oft teure Realität.

In dem Beispiel des Bohrers würden sich die Kostenwie folgt erhöhen:

beieffizienter Bohrzeit 1 h/TagArbeitskosten 20 €/hEnergiekosten 0,06 €/kWh

folgen pro Monat Mehrkosten fürArbeit 240,00 €Energie 3,60 €

SUMME 243,60 €d. h. 2.329,20 € pro Jahr!

Der Weg zur effizientenWerkzeugnutzung

1. Optimierung des UmfeldesSchlauchlänge = Druckverlust!

Daraus folgt, dass Schläuche möglichst kurz zu hal-ten sind, Spiralschläuche sind zu vermeiden. WerdenSpiralschläuche z. B. zwischen Netz und Balancereingesetzt, könnten oft normale Schläuche verwendetwerden. Aber auch auf passende Schlauchdurch-messer ist zu achten, damit lassen sich druckfres-sende Übergänge vermeiden.

Verlustarme Kupplungen installieren!

Die meisten selbstentlüftenden Schnellkupplungen –insbesondere jene aus Messing – kosten viel Druck(0,6-1,3 bar Fließdruck). Grund ist eine im Luftstromliegende Kugel. Moderne Schnellkupplungen reduzie-ren die Verluste (auf ca. 0,2 bar) drastisch und amor-tisieren sich damit innerhalb kürzester Zeit.

Abb. 2: Moderne Schnellkupplung

„Basteleien“ vermeiden!

Große Querschnittstoleranzen, mehr Kupplungen alsnötig, zuviel Tüllen und falsche Schlauchdurchmes-ser summieren sich zu einem großen Energie-„Vernichter“. Passende Konfektionierung zahlt sichfast immer aus.

Abb. 3: Energie-“Vernichter“ im Druckluftnetz

Ölschmierung in der Luftzufuhr nur wo nötig!

Turbinengetriebene oder mit ölfreien Lamellenmoto-ren ausgerüstete Werkzeuge benötigen keine Öl-schmierung. Öler bewirken Druckverlust. Wenn erbenötigt wird, sollte der Öler 3-5 Meter vom Werk-zeug entfernt angeordnet werden.

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Fakten DruckluftwerkzeugeSeite 3 von 3

2. Messung und Anpassung des FließdruckesNach der Optimierung des Umfeldes steht wahr-scheinlich ein zu hoher Arbeitsdruck am Werkzeugan. Dieser kann nun über den Druckregler der War-tungseinheit reduziert werden. Das Werkzeug arbei-tet nun im effizientesten Betriebszustand, der Luft-verbrauch wird minimiert.

Fließdruck amWerkzeug in bar

Luftverbrauchin %

6,3 1007,0 1108,0 125

3. Anpassung des NetzdruckesOft kann nun auch der Netzdruck deutlich reduziertwerden. Dies bewirkt verringerte Kompressorlaufzei-ten und reduziert damit massiv die Energiekosten!

Optimierungen am Umfeld des Werkzeuges amor-tisieren sich oft innerhalb kürzester Zeit!

Wartung der LuftdruckanlageNach der einmaligen Optimierung gilt es, die gewon-nene Effizienz auf Dauer zu erhalten. Hierzu trägtganz wesentlich eine regelmäßige Wartung der Kom-ponenten bei. Neben dem Entleeren und Reinigender Filter ist auf regelmäßige Leckage-Untersuchungzu achten.

Bei der Erstellung von Wartungsplänen unterstütztSie der Lieferant der Druckluftanlage.

Dass auch der Wartungszustand des Werkzeugesselbst erhebliche Auswirkung auf die Effizienz hat,sollte nicht vergessen werden.

Ebenso wichtig ist es, bei jeder Veränderung derDruckluftanlage die Konsequenzen für die Druckver-hältnisse im System zu beachten.

Sollte dies nicht immer möglich sein, weil Verände-rungen sehr häufig durchgeführt werden, bietet sichin regelmäßigen Abständen eine Überprüfung derGesamtanlage an.

FazitBeim Einsatz von Druckluftwerkzeugen zahlt sicheine Betrachtung des Umfeldes schnell aus. FalscheDimensionierungen, Einstellungen und schlechterWartungszustand verringern die Produktivität drama-tisch.

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.

Atlas-Copco BEKO Technologies BOGE Kompressorendomnick-hunter Energieagentur NRW Gardner Denver WittigGASEX Gebr. Becker Ingersoll-RandKaeser Kompressoren Legris – TRANSAIR METAPIPESchneider Druckluft systemplan, Karlsruhe Thyssen Schulte – MULTIPLASTultra air ultrafilter International ZANDER Aufbereitungstechnik

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